Naukowcy pod kierownictwem dr. hab. Pawła Kowalczyka, prof. UŁ, odkryli nowe zjawisko, związane z pojawianiem się zaniku tarcia – tzw. nadśliskość. Pojawia się ono na połączeniu dwóch litych materiałów: wysp bizmutu, które spontanicznie poruszają się po powierzchni grafitu – co zadziwiające wzdłuż prostych linii. Jest to pierwsze doniesienie o takim zjawisku na styku materiałów krystalicznych i do pewnego stopnia zmienia sposób, w jaki myślimy o tarciu i przyczepności materiałów.
Co to takiego nadśliskość?
Nadśliskość to stan, w którym tarcie między powierzchniami staje się niemal niezauważalne. W naturalnych warunkach tarcie między dwoma powierzchniami powoduje, że trudno jest je przesunąć względem siebie, jednak w systemach charakteryzujących się nadśliskością tarcie jest tak małe, że te powierzchnie przesuwają się prawie bez oporu. Jednym z odmian zjawiska jest nadśliskość strukturalna, w której wzajemne ułożenie dwóch kryształów może spowodować spadek tarcia między tymi kryształami. Osiągnięcie tego efektu może być bardzo przydatne w wielu dziedzinach, np. w produkcji nowoczesnych urządzeń mechanicznych, czy bardziej ogólnie wszędzie tam gdzie pojawianie się tarcia powoduje straty energetyczne.
Jak to działa?
Badania pokazują, że wyspy bizmutu osadzone na powierzchni grafitu wcale nie są stacjonarne. Mimo że są ciałem stałym, to zachowują się trochę jak krople oleju na rozgrzanej powierzchni i przesuwają się z jednego miejsca w inne. Co zadziwiające, ich ruch odbywa się zawsze po liniach prostych, a zjawisko związane jest ze specyficznym dopasowaniem sieci atomowych obu materiałów, dzięki czemu wyspy bizmutu mogą przesuwać się wzdłuż prostych linii nazywanych nanoautostradami.
Gdy wyznaczy się rozkład statystyczny trajektorii wysp, okazuje się, że opisać go można za pomocą prawa wykładniczego – to znaczy w obserwowanym zjawisku większość wysp znajduje się na bardzo krótkich autostradach o długościach 10, 20 czy 30 nm, a tylko nieliczne potrafią pokonać dystanse sięgające 1000 nm. Interesujące jest to, że te długości nanoautostrad i związane z nim skoki wysp na różne odległości przypominaja tzw. „loty Lévy’ego”. Zjawisko to, choć brzmi skomplikowanie, występuje w wielu miejscach w przyrodzie, jak choćby w zachowaniu zwierząt poszukujących pożywienia, przepływie informacji w Internecie, ruchach giełdowych, trzęsieniach ziemi czy też poruszaniu się ludzi (czytając ten artykuł siedzisz, jednak wkrótce, przejdziesz się po pokoju, a za jakiś czas pojedziesz kawałek dalej do domu, by w odpowiednim momencie wykonać rzadki ale dłuższy skok i pojechać na wakacje).
Dlaczego to takie ważne?
To odkrycie może mieć duże znaczenie dla przyszłości technologii. Przykładowo, dzięki zrozumieniu, jak te wyspy poruszają się na graficie, naukowcy mogą opracować materiały, które będą miały znacznie niższe tarcie. Tego typu materiały mogłyby być wykorzystywane w różnych urządzeniach – od precyzyjnych maszyn, aż po pojazdy, które dzięki mniejszemu tarciu będą bardziej efektywne i mniej narażone na zużycie. To z kolei mogłoby prowadzić do oszczędności energii i materiałów, co miałoby pozytywny wpływ na środowisko.
Jakie są perspektywy na przyszłość?
W przyszłości naukowcy planują przeprowadzić jeszcze więcej badań, które pozwolą lepiej zrozumieć, jak różne czynniki, takie jak temperatura, rozmiar wysp czy rodzaj defektów na powierzchni grafitu, wpływają na tarcie i ruch tych wysp. Poszukiwać również będą innych materiałów, które posiadają podobne właściwości. Dzięki tym badaniom, być może uda się stworzyć jeszcze lepsze materiały o niskim tarciu, które znajdą zastosowanie w jeszcze szerszym zakresie.
Publikacja: czasopismo Small
Materiał: WFiIS
Redakcja: Biuro Prasowe UŁ