Нагрев слюды до 200 °C позволил достичь идеального трения, полностью независимого от скорости движения поверхностей. Электронный микроскоп показал, что волнообразные дефекты в кристаллах, исчезающие при высоких температурах, и были причиной зависимости силы трения от скорости скольжения. 

Изменение коэффициента трения слюды при изменении скорости скольжения (V); при низкой температуре коэффициент трения сильно меняется, а при высокой температуре перестает зависеть от изменения скорости скольжения. Источник: Хироси Сакума (Национальный институт материаловедения)

Трение — одно из базовых физических явлений, с которым мы сталкиваемся каждый день. Закон Амонтона — Кулона, знакомый каждому со школьной скамьи, гласит, что сила трения между сухими поверхностями постоянна и не зависит от скорости движения. Но на практике это правило никогда не удавалось подтвердить: для большинства материалов трение все-таки немного меняется при разной скорости скольжения. Эти колебания приводят к износу механизмов и нестабильной передаче энергии.

Международная группа ученых подошла к проблеме с неожиданной стороны. В качестве материала выбрали слюду — слоистый оксид, который давно применяется как смазочное вещество. Исследователи измеряли изменения силы кинетического трения между монокристаллами слюды при нагреве от комнатной температуры до 200 °C.

Результат показал: при 200 °C сила трения стала полностью независимой от скорости скольжения. Исследователям впервые удалось добиться идеального кулоновского трения — состояния, которое считалось лишь теоретической абстракцией. Наблюдения с помощью электронного микроскопа показали, что причина кроется в волнообразных дефектах кристаллической решетки, которые называются рипплокциями.

«Исследование впервые показало, что дефекты в кристаллах участвуют в сложных процессах трения», — отмечают авторы работы.

При нагреве эти дефекты исчезают, и трение перестает реагировать на изменение скорости.

Открытие имеет большое практическое значение. Понимание связи между структурой кристаллов и поведением трения открывает путь к созданию новых смазочных материалов. Если свойства смазки не будут меняться при разных скоростях, механизмы станут работать стабильнее, а энергопотребление снизится. 

Понимание связи между структурой кристаллов и поведением трения открывает путь к созданию новых смазочных материалов. Источник: Unsplash

Исследователи планируют расширить эксперименты на другие слоистые материалы и детальнее изучить взаимосвязь между дефектами кристаллов и силой трения. Конечная цель — вывести новый закон трения и создать энергосберегающие смазочные материалы, свойства которых не меняются при разных скоростях движения.