Суперсмазываемость — это режим относительного движения , при котором трение исчезает или почти исчезает. Однако определение «исчезающего» уровня трения неясно, что делает этот термин неопределенным. В качестве специального определения можно принять кинетический коэффициент трения менее 0,01. [1] Это определение также требует дальнейшего обсуждения и разъяснения.
Суперсмазываемость может возникнуть, когда две кристаллические поверхности скользят друг по другу в сухом несоизмеримом контакте. Это было впервые описано в начале 1980-х годов [2] для моделей Френкеля–Конторовой и называется переходом Обри. Он был широко изучен как математическая модель, [3] в атомистических симуляциях [4] и в ряде экспериментальных систем. [5] [6]
Этот эффект, также называемый структурной смазываемостью, был проверен между двумя графитовыми поверхностями в 2004 году. [7] Атомы в графите ориентированы гексагональным образом и образуют атомный ландшафт холмов и долин, который выглядит как яичная решетка. Когда две графитовые поверхности находятся в регистре (каждые 60 градусов), сила трения высока. Когда две поверхности повернуты вне регистра, трение значительно уменьшается. Это похоже на две яичные решетки, которые могут скользить друг по другу легче, когда они «повернуты» относительно друг друга.
Наблюдение сверхсмазываемости в микромасштабных графитовых структурах было сообщено в 2012 году [8] путем сдвига квадратной графитовой мезы в несколько микрометров в поперечнике и наблюдения за самостягиванием сдвинутого слоя. Такие эффекты были также теоретически описаны [9] для модели слоев графена и никеля. Это наблюдение, которое воспроизводится даже в условиях окружающей среды, смещает интерес к сверхсмазываемости из преимущественно академической темы, доступной только в сильно идеализированных условиях, в тему с практическими последствиями для микро- и наномеханических устройств. [10]
Состояние сверхнизкого трения может быть также достигнуто, когда острый наконечник скользит по плоской поверхности, а приложенная нагрузка ниже определенного порога. Такой «суперсмазочный» порог зависит от взаимодействия наконечника с поверхностью и жесткости контактирующих материалов, как описано в модели Томлинсона . [ 11] Порог может быть значительно увеличен путем возбуждения скользящей системы на ее резонансной частоте , что предполагает практический способ ограничения износа в наноэлектромеханических системах . [12]
Суперсмазываемость также наблюдалась между золотым наконечником АСМ и тефлоновой подложкой из-за отталкивающих сил Ван-дер-Ваальса и водородно-связанного слоя, образованного глицерином на стальных поверхностях. Было также показано, что образование водородно-связанного слоя приводит к суперсмазываемости между поверхностями кварцевого стекла, смазанными биологической жидкостью, полученной из слизи Brasenia schreberi . Другие механизмы суперсмазываемости могут включать: [13] (a) термодинамическое отталкивание из-за слоя свободных или привитых макромолекул между телами, так что энтропия промежуточного слоя уменьшается на малых расстояниях из-за более сильного ограничения; (b) электрическое отталкивание из-за внешнего электрического напряжения; (c) отталкивание из-за электрического двойного слоя; (d) отталкивание из-за тепловых флуктуаций. [14]
Сходство термина «суперсмазываемость» с такими терминами, как «сверхпроводимость» и «сверхтекучесть» , вводит в заблуждение; другие механизмы рассеивания энергии могут приводить к конечной (обычно небольшой) силе трения. «Сверхсмазываемость» более аналогична таким явлениям, как « суперэластичность» , при которой такие вещества, как нитинол, имеют очень низкие, но ненулевые модули упругости; «суперохлаждение» , при котором вещества остаются жидкими до температуры ниже нормальной; «суперчерный» , при котором отражается очень мало света; «гигантское магнитосопротивление» , при котором очень большие, но конечные эффекты магнитосопротивления наблюдаются в чередующихся немагнитных и ферромагнитных слоях; «сверхтвердые материалы» , которые являются алмазом или почти такими же твердыми, как алмаз; и «суперлинзирование» , которые имеют разрешение, которое, хотя и меньше дифракционного предела , все еще конечно.
В 2015 году исследователи впервые получили доказательства суперсмазываемости в микромасштабах. [15] Эксперименты были подкреплены вычислительными исследованиями. Суперкомпьютер Mira смоделировал до 1,2 миллиона атомов для сухих сред и до 10 миллионов атомов для влажных сред. [15] Исследователи использовали код LAMMPS (крупномасштабный атомно-молекулярный массовый параллельный симулятор) для проведения реактивных симуляций молекулярной динамики. Исследователи оптимизировали LAMMPS и его реализацию ReaxFF , добавив потоки OpenMP , заменив двухточечную связь MPI на коллективы MPI в ключевых алгоритмах и используя ввод-вывод MPI. Эти улучшения удвоили производительность.
Известно, что трение является основным потребителем энергии; например, в подробном исследовании [16] было обнаружено, что оно может привести к трети потерь энергии в новых автомобильных двигателях. Суперсмазочные покрытия могли бы уменьшить это. Потенциальные области применения включают жесткие диски компьютеров, шестерни ветряных турбин и механические вращающиеся уплотнения для микроэлектромеханических и наноэлектромеханических систем. [17]