Японские физики экспериментально исследовали то, как структурирование стеклянной поверхности на миллиметровом и нанометровом уровне влияет на трение между ней и различными материалами. Их исследование поможет в будущем улучшить системы рукописного ввода для планшетов и телефонов.

Работа опубликована в Scientific Reports.

Трение относится к сложным типам взаимодействия макроскопических тел, поскольку оно может быть обусловлено различными причинами: механическими, физическими, химическими и так далее. Трибологи, то есть ученые, изучающие трение, выделяют различные его типы, действующие на разных масштабах. Так, при деформационном трении энергия движения затрачивается на изменение макроскопической структуры, в то время как силы адгезии препятствуют скольжению на микроскопическом уровне.

Управление трением играет важнейшую роль во множестве областей человеческой деятельности. Если для уменьшения износа деталей машин и станков трение желательно уменьшать, то его увеличение важно для эффективного торможения автомобилей, а также для повышения энергоэффективности. Контроль трибологических свойств важен даже при конструировании устройств для рукописного ввода в сенсорных планшетах и телефонах. Несмотря на то, что текстурирование стеклянной поверхности могло бы помочь лучше контролировать трение, исследований в этом направлении пока довольно мало.

Одной из групп, занимающейся этой проблемой, стала команда японских физиков под руководством Наоки Фудзита (Naoki Fujita) из компании Nippon Electric Glass, производящей стекла для дисплеев. Ранее они экспериментально выяснили, что шероховатость стекла на уровнях миллиметрового и нанометрового масштаба позволяет контролировать коэффициент трения пишущего наконечника. Теперь же исследователи углубили свое понимание этой зависимости, меняя шаг и высоту углублений.

В своем эксперименте ученые проводили испытания на возвратно-поступательное трение для двух имеющихся в продаже наконечников для стилусов (из эластомера и полиацеталя), которые соприкасались со структурированными стеклянными поверхностями. Наконечники имели радиусы кривизны, равные 687 и 665 микрометров, соответственно. Кроме того эластомер имел полосатую структуру, поэтому его поверхностная шероховатость была на порядок больше, чем у полиателального наконечника (10,5 микрометра против 0,7 микрометра).

Стеклянные пластинки, использованные в опыте, имели размеры 70×70×0,55 миллиметра. Физики структурировали их с помощью струйной обработки суспензией микрочастиц оксида алюминия (средний диаметр 1,2 микрометра) с дистиллированной воде. Разные текстуры получались благодаря контролю скорости струй и шага сопла. Авторы характеризовали получающиеся поверхности с помощью шага (500, 750 и 1000 микрометров) и глубины образующихся провалов (от 0 до 50 нанометров), при этом все пластинки оставались прозрачными. В качестве контрольного образца выступала гладкая стеклянная поверхность.

Изображения поверхностей с различным шагом и глубиной в 50 нанометров, полученных с помощью оптического профилографа / Naoki Fujita et al. / Scientific Reports, 2022

Во время испытания физики фиксировали наконечники под углом 60 градусов и прижимали к стеклянным пластинам под нагрузкой в 0,98 и 1,96 ньютона. Амплитуда возвратно-поступательного движения составляла 50 миллиметров на скорости в пять миллиметров в секунду. Авторы проводили до 100 периодов движения, в течение которых тензодатчик измерял силу трения, из которой затем извлекался коэффициент трения. Физики строили зависимости этого коэффициента от глубины текстуры усреднением по 5 и 95 циклам для различных наконечников и поверхностей.

Зависимость коэффициента трения, усредненного по 5 и 95 циклам измерений, от глубины провалов поверхности для различных материалов наконечников и периодов текстуры / Naoki Fujita et al. / Scientific Reports, 2022

Материалы наконечников по-разному вели себя при наличии текстур. Так, структурирование снижало трения для эластомера и увеличивало для полиацеталя, хотя во втором случае трение почти не зависело от глубины.

Построенные графики хорошо объяснялись качественным представлением о контактных свойствах использованных материалов и их размерах. Например, физикам было известно, что трение эластомера о стекло вызывается адгезией. Структурирование поверхности с шагом, меньшим, чем диаметр наконечника, уменьшает площадь контакта. С ростом же периода кончик глубже проваливается во впадины и на трение начинает влиять деформация. Полиацеталь, наоборот, более жесткий материал с меньшей площадью контакта (ее диаметр авторы оценили в 180 микрометров). Баланс геометрии контакта с шагом и глубиной соответствовал увиденным зависимостям.

Ученые дополнили сделанные выводы с помощью исследования того, как трение между стеклом и эластомером отличается при различных нагрузках. Оно подтвердило роль деформации при больших глубинах текстур. Наконец, физики провели серию опытов с очень большей глубиной (1463 нанометров) и более медленным движением, в которых область контакта снимала цифровая камера. Это позволило ученым изучить, как флуктуируют области контакта для обоих типов наконечников.