Трение- это эффект, который влияет на любые прoцессы, в которых подвижные элементы приходят в соприкосновение. Чем больше поверхность контакта, тем больше силы трения. На нано уровне, где устройства состоят буквально из нескольких атомов и молекул, трение может принести большие разрушения, поскольку, как известно, наночастицам свойственно высокое отношение площади поверхности к объему. Поэтому наноматериалы особо чувствительны к трению.

В большинстве случаев исследователи стоят перед проблемой описания эффектов трения для столь малых масштабов, поскольку существующие теории не соответствуют практике работы наноматериалов. Наконец, через пять сотен лет после Леонардо да Винчи, описавшего основные законы трения для больших тел, группа Изабелы Шлуфарска (Izabela Szlufarska) – адъюнкт-профессора материаловедения Университета штата Висконсин в Мэдисоне (University of Wisconsin-Madison) продемонстрировала, что трение на атомарном уровне происходит по законам, аналогичным законам трения для больших объектов.

Исследовали использовали компьютерное моделирование процесса для определения его закономерностей. Результаты работы опубликованы в последнем номере журнала Nature (Yifei Mo, Kevin T. Turner, Izabela Szlufarska. Friction laws at the nanoscale, – Nature 457, 1116 – 1119 (26 Feb 2009), doi: 10.1038/nature07748, Letter).

Существующие теории трения на наноразмерном уровне основаны на предположении, что поверхности являются гладкими, а в действительности это не так- поверхности выглядят как горная гряда, где каждый пик соответствует одному атому или молекуле.

Проф. Шлуфарска и ее соавторы в своей компьютерной модели представили наноматериалы как набор отдельных атомов, рассматривая их положение и взаимодействие через призму всего процесса скольжения. По словам проф. Шлуфарска впервые процесс трения смоделирован в масштабах, соответствующих таковым в эксперименте, при этом соблюдая атомарное разрешение и учитывая реальное взаимодействие между атомами.

Авторы сформулировали простые законы «нанотрения». Они определили, что сила трения пропорциональна числу атомов, которые взаимодействуют между собой со стороны обеих трущихся поверхностей наноразмера. Моделирование показало, что контактное взаимодействие материалов на нано уровне размеров происходит аналогично тому как трутся друг об друга большие предметы с очень неровной поверхностью, а совсем не так, как взаимодействуют предметы с гладкими поерхностями и как это ученым представлялось ранее.

Демонстрация контакта на атомарном уровне между углеродом и алмазом для иллюстрации схемы трения на нано размерном уровне. Заметно, что на этом размерном уровне поверхности весьма грубы, хотя исследователи рассматривают их как гладкие (Рисунок: Izabela Szlufarska).

Полученные расчетные данные очень хорошо коррелируют с экспериментальными результатами. Ни одна из известных до этого моделей такого соответствия не давала. Проф. Шлуфарска надеется в дальнейшем использовать успешный алгоритм моделирования для более глубокого понимания и сравнения механизмов трения на нано- и макроразмерах. По ее мнению, важно не только измерить параметры трения, но и научиться связывать их со свойствами самого материала с тем, чтобы иметь возможность предсказывать эффекты трения при конструированиии новых материалов.

Евгений Биргер