Фізики домоглися нульового тертя в почесних системах в експерименті

Фізики з Німеччини та Італії вперше експериментально спостерігали в почесних системах фазовий перехід у надслизький стан, при якому рух двох кристалів один відносно одного відбувається без тертя. Модельна система, що складається з плоского колоїдного кристала, який переміщується по почесній оптичній решітці, підтвердила теоретичні оцінки, зроблені більше 35 років тому, пишуть вчені в.

Розробка твердих поверхонь, які можуть на атомарному рівні рухатися один відносно одного практично без тертя, сильно підвищує ефективність мікромеханічних систем і наноустроїв. Теоретично показано, що при певних умовах деякі матеріали і зовсім можуть переходити в надслизький (superlubric) стан, при яких тертя пропадає повністю. Такий перехід був передбачений ще на початку 80-х років XX століття Сержем Обрі і спостерігати його можна при зниженні механічного навантаження.

На атомарному рівні рух без тертя схожий на рух шісток один відносно одного і відбувається в разі правильного співвідношення періодів двох кристалічних систем. Тоді частина атомів першого матеріалу виявляється в енергетичних мінімумах поля іншого, а частина, навпаки, в максимумах. При ковзанні атоми змінюються ролями, так що при цьому не відбувається дисипації енергії. Експериментально цей ефект вже був підтверджений для одномірних систем на модельній системі, в якій один з кристалів замінювався двома інтерферуючими променями лазера.

Група німецьких та італійських фізиків під керівництвом Клеменса Бехінгера (Clemens Bechinger) зі Штутгартського університету експериментально показала, що перехід у надслизький стан можливий і в почесних колоїдних системах при кімнатній температурі. Для цього, як і в разі одномірної системи, за допомогою системи з лазерів (тільки не двох, а трьох) була створена гексагональна оптична решітка, в якій максимуми і мінімуми інтерференції періодично змінюють один одного, але не на лінії, а на площині. Щодо цієї решітки вчені переміщали почесний колоїдний кристал, що складається з полістирольних мікрошариків. Для моделювання різного механічного навантаження автори роботи змінювали глибину потенціалу оптичної решітки.

Визначивши траєкторії частинок при різній амплітуді періодичного потенціалу і вимірявши необхідну для зміщення частинок силу, вчені виявили, що при певній величині поля дійсно відбувається перехід із закріпленого стану в надслизьке. У такому режимі сила, яка виявилася необхідною для переміщення колоїдного кристала виявилася мінімально вимірюваною і склала близько 1 фемтоньютона.

При цьому автори роботи зазначають, що, на відміну від одномірного випадку, рух почесного колоїдного кристала щодо оптичної решітки призводить до розголошення двох систем, що особливо важливо з точки зору виникаючого тертя. Ефект розголошення призводить до того, що поблизу критичного навантаження в такій почесній системі відбувається фазове розшарування і частина кульок виявляються в узгодженому з оптичною решіткою стані, а частина - ні (тобто частина кристала вже знаходиться в надслизькому режимі, а частина - все ще закріплена на ґратах). Таким чином, перехід у надслизький стан при зниженні механічного навантаження відбувається не моментально, а розтягується в часі.

Щоб більш точно описати механізм такого розширеного переходу, отримані експериментальні дані вчені додатково описали за допомогою комп'ютерного моделювання методом молекулярної динаміки. Фізики виявили, що розголошення в області переходу призводить до того, що структура колоїдного кристала виявляється трохи спотворена, а частина кульок - трохи зміщена і повернута відносно рівноважного стану. При цьому в надслизькому стані розмір окремих доменів зростає, а при збільшенні механічного навантаження (або амплітуду потенціалу в модельному експерименті) - навпаки зменшується, так що при цьому збільшується впорядкованість системи.

Автори роботи зазначають, що отримані ними результати - перша експериментальна перевірка теорії фазового переходу Обрі в надслизький стан для почесних систем. Оскільки утворення такого стану можливе для деяких типів почесних кристалів, зокрема для графена, то в майбутньому ці дані можна буде використовувати для розробки почесних молекулярних машин, що працюють, в тому числі, і при кімнатній температурі.

Зазначимо, що почесні колоїдні кристали можуть не тільки служити в якості моделі для почесних матеріалів з унікальними фізичними властивостями, але і самі володіють примітними оптичними характеристиками. Окремий інтерес становить процес освіти такого кристала. Наприклад, самозбірка такого кристала може відбуватися навіть з колоїдного розчину з частинками різного розміру при їх достатній концентрації. При цьому для управління ступенем впорядкованості почесного колоїдного кристала вчені пропонують використовувати, наприклад, електростатичне або магнітне поля.