Физики из Австрии, Бельгии и Швейцарии разработали материал, который изменяет смачиваемость и адгезионные свойства под действием электрического тока. Кроме исследования взаимосвязи трения покоя и адгезионных свойств, авторы отмечают, что существуют и более экзотические его применения, связанные с измерением масс нейтрино. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает пресс-релиз Венского технологического университета.

Материал представляет собой одноатомный слой нитрида бора, нанесенный на металлический родий. Нитрид бора в некотором смысле является аналогом графена: в нем точно такое же количество электронов, но атомы углерода заменены на атомы бора и азота. Из-за особенностей материала (шестиугольники атомов родия на поверхности слегка не совпадают с шестиугольниками нитрида бора), слой нитрида бора не плоский. В нем можно выделить 3,2-нанометровые области, ограниченные «стенами». 

Переключение свойств происходит при подаче на материал, погруженный в раствор электролита, электрического напряжения. Из-за него нитрид бора начинает эффективно поглощать атомы водорода. Водород скапливается под тонким слоем и сглаживает его форму до плоского моноатомного листа.

Наложение снимков капель, динамически изменяющихся (всасываемых и выливаемых тонким капилляром) на поверхности нитрида бора. TU Wien

Нитрид бора без интеркалированного водорода. Marcella Iannuzzi, UZH & Ari Seitsonen, ENS Paris

Нитрид бора и интеркалированный водород. Marcella Iannuzzi, UZH & Ari Seitsonen, ENS Paris

Изменения адгезионных свойств ученые оценивали по тому, как смачивают поверхность материала капли воды. Сравнивая между собой микрофотографии капель физики обнаружили, что углы смачивания плоской и шерховатой поверхности отличаются на 10 градусов, причем этот угол меньше в случае шерховатого (не поглотившего водород) нитрида бора. Авторы оценивают что энергия адгезии уменьшается при переходе к плоскому состоянию примерно на 9,2 процента. Примерно такой же результат дает теоретическая модель, разработанная исследователями. Интересно, что изменения формы поверхности почти не влияют на предел трения покоя. 

Сила трения покоя возникает в тот момент, когда мы пытаемся сдвинуть с места неподвижное тело. Она способна вплоть до некоторого предела компенсировать усилие, приложенное к телу, однако после определенной величины объект начинает двигаться и сила трения покоя сменяется силой трения скольжения. Несмотря на простоту описания, детальных моделей, описывающих трение покоя до сих пор не разработано. Как правило, ее связывают с адгезионными силами с помощью эмпирических (полученных из эксперимента) коэффициентов.

По словам авторов, разработанный материал обладает высокой устойчивостью — он выдерживает температуру вплоть до тысячи градусов, и, в теории, может перенести даже космический полет. Одним из интересных применений, предложенных для него, является сорбция трития. С помощью слоя трития, зажатого за «прозрачным» одноатомным нитридом бора, физики смогут измерить массу электронного нейтрино, исследуя бета-распад радиоактивного газа.

Автор: Владимир Королёв