Если нажать пальцем на стол слабо, то он будет скользить легко, а если сильно — тяжело, с трудом. Физики из США и Китая показали, что если сделать то же самое с кантилевером атомно-силового микроскопа на графитовой поверхности, то эффект будет противоположным. Да-да, чем слабее вы будете нажимать, тем сильнее будет трение.

Нанотрибология, изучающая трение наномасштабных поверхностей, может дать результат, серьёзно отличающийся от того, к чему мы привыкли, но вот чем может быть вызвано обратное соотношение трения с силой нажатия — вопрос непростой.

В принципе, трение может периодически варьироваться по мере того, как кантилевер атомно-силового микроскопа двигается по поверхности кристаллической решётки. При этом коэффициент трения может нелинейно меняться, однако падение трения с ростом нагрузки — иными словами, ситуация с отрицательной скоростью изменения коэффициента трения с ростом нагрузки — прежде никогда не наблюдалось.

Рис.1. Острие кантилевера (сверху) притягивает к себе тем атомы графита (снизу), над которым проходит, что и обусловливает отрицательный коэффициент трения. (Иллюстрация NIST).

Рэйчел Каннара, Чжао Дэн (Zhao Deng) и их коллеги из Национального института стандартов и технологий (США) и Университета Цинхуа (КНР) сделали неожиданное открытие случайно. Чжао Дэн измерял коэффициент трения (скорость его изменения в зависимости от нагрузки) между алмазной частью острия кантилевера микроскопа и графитовой поверхностью. Рутинная работа, на которую обычно ставят новичков.

Сначала он увеличил нагрузку, и трение возросло. Тогда он её уменьшил и произвёл замер снова. Сюрприз: трение опять увеличилось. Негативный коэффициент трения? И в чём его причина? Что удивительно, после первого измерения рост трения был систематическим: оно всё росло по мере снижения нагрузки, вплоть до момента полного расцепления острия кантилевера и графита.

Гипотеза, объясняющая столь странное явление, одновременно проста и необычна. Ранее учёные уже обращали внимание на то, что чем тоньше графитовый слой, тем выше трение на его поверхности. Развивая это наблюдение на примере «отрицательной скорости изменения коэффициента трения», они предположили, что когда слой графита имеет толщину всего в несколько атомов, то его межатомные взаимодействия с кантилевером заставляют атомы в точке контакта «прилипать» к острию. При снижении нагрузки оно слегка поднимается и увлекает за собой графит. Естественно, в такой конфигурации трение растёт. Лишь когда острие убирается полностью, графит возвращается к первоначальному положению.

Небезынтересно и то, что эффект теоретически должен относиться ко всем материалам, образующим слои, по толщине сравнимые с размерами атома.

В принципе, такая особенность может быть использована при проектировании микроэлектромеханических устройств, где минимизация трения особенно важна, — ведь там величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной, но при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок.

Соответствующее исследование опубликовано в журнале Nature Materials.