Naukowcy pod kierunkiem dr. hab. Paw艂a Kowalczyka, prof. U艁 odkryli nowe zjawisko zwi膮zane z zanikiem tarcia 鈥� 苍补诲艣濒颈蝉办辞艣膰. To zadziwiaj膮ce zjawisko zaobserwowano na styku dw贸ch materia艂贸w sta艂ych, bizmutu i grafitu. Bizmut jest celowo osadzany na powierzchni grafitu (materia艂u, znanego z o艂贸wk贸w) i tworzy niezwykle p艂askie kryszta艂y, o grubo艣ci wynosz膮cej tylko 2 atomy! Pierwszym zaskoczeniem po rozpocz臋ciu bada艅 by艂a obserwacja, 偶e kryszta艂y bizmutu wcale nie s膮 statyczne ale poruszaj膮 si臋 po powierzchni grafenu, wzd艂u偶 linii prostych. Jest to pierwszy w historii raport dotycz膮cy tego zjawiska, kt贸ry zmienia spos贸b, w jaki my艣limy o tarciu i przyczepno艣ci materia艂贸w oraz otwiera przysz艂e pomys艂y badawczo-rozwojowe w zakresie redukcji tarcia.
Czym jest 苍补诲艣濒颈蝉办辞艣膰?
Nad艣lisko艣膰 to stan, w kt贸rym tarcie mi臋dzy materia艂ami sta艂ymi staje si臋 niezauwa偶alne. W normalnych warunkach tarcie mi臋dzy dwiema powierzchniami utrudnia przesuwanie ich wzgl臋dem siebie, poniewa偶 istniej膮 si艂y, kt贸re wi膮偶膮 atomy w obu materia艂ach, jakby by艂y po艂膮czone male艅kimi spr臋偶ynkami. Jednak w uk艂adach z nad艣lisko艣ci膮 te male艅kie spr臋偶yny s膮 tak s艂abe, 偶e oba cia艂a mog膮 porusza膰 si臋 bez oporu. Zjawisko to jest stosunkowo dobrze znane od wielu lat i jest powodem, dla kt贸rego wiele komercyjnych smar贸w zawiera grafit. Warstwy atomowe w graficie s膮 s艂abo zwi膮zane i mog膮 艂atwo przesuwa膰 si臋 wzgl臋dem siebie. Do tej pory 苍补诲艣濒颈蝉办辞艣膰 zawsze by艂a niezale偶na od kierunku: tarcie zanika艂o we wszystkich kierunkach jednakowo. Teraz, dzi臋ki temu nowemu odkryciu, uzyskuje si臋 now膮 form臋 nad艣lisko艣ci, w kt贸rej tarcie wynosi zero tylko w jednym kierunku, a jest niezerowe w ka偶dym innym kierunku.
Z obni偶eniem tarcia mo偶na poeksperymentowa膰 wykorzystuj膮c, np. o艂贸wek! Po u偶yciu o艂贸wka grafitowego spr贸buj przetrze膰 palce o grafit na kartce, a nast臋pnie pocieraj je o siebie przed umyciem r膮k 鈥� poczujesz ich 艣lisk膮 tekstur臋. Faktycznie mo偶na wyczu膰, wyj膮tkowo niskie tarcie, poniewa偶 czubki palc贸w mog膮 si臋 bardzo 艂atwo porusza膰 wzgl臋dem siebie 鈥� s膮 bardzo "艣liskie". To co obserwujesz to 苍补诲艣濒颈蝉办辞艣膰 w grze!
Jak to dzia艂a?
Przedstawione w artykule obrazy mikroskopowe pokazuj膮, 偶e kryszta艂y bizmutu osadzone na powierzchni grafitu wcale nie s膮 statyczne. Mimo, 偶e s膮 cia艂ami sta艂ymi, zachowuj膮 si臋 troch臋 jak krople oleju na gor膮cej powierzchni i nieustannie przemieszczaj膮 si臋 z miejsca na miejsce. Co zaskakuj膮ce, ich ruch zawsze odbywa si臋 po liniach prostych, ze wzgl臋du na bardzo specyficzny uk艂ad ich sieci atomowych. Owe proste linie przypominaj膮 autostrady, a poniewa偶 umo偶liwiaj膮 one szybki zbiorowy ruch kryszta艂贸w wzd艂u偶 jednego kierunku, nazywane s膮 nano-autostradami.
Kiedy mierzy si臋 rozk艂ad statystyczny trajektorii kryszta艂贸w, okazuje si臋, 偶e mo偶na go opisa膰 za pomoc膮 prawa pot臋gowego 鈥� to znaczy, 偶e wi臋kszo艣膰 kryszta艂贸w bizmutu porusza si臋 po powierzchni spontanicznie na bardzo kr贸tkich odleg艂o艣ciach, rz臋du 10 lub 20 nm 鈥� znajduj膮 si臋 na bardzo kr贸tkich nano-autostradach. Jednak cz臋艣膰 kryszta艂贸w znajduje si臋 na znacznie d艂u偶szych nano-autostradach i pokonuje wi臋ksze odleg艂o艣ci si臋gaj膮ce nawet 1000 nm. Co ciekawe, d艂ugo艣ci nano-autostrad, a tym samym skoki kryszta艂贸w bizmutu s膮 zgodne ze statystyk膮 zwan膮 "lotami L茅vy'ego".
Tego typu statystyka jest szczeg贸lnie interesuj膮ca, poniewa偶 wyst臋puje w wielu obszarach przyrody np. mo偶na j膮 odnale藕膰 u zwierz膮t poszukuj膮cych po偶ywienia 鈥� aby przetrwa膰, wzorce 偶erowania s膮 optymalizowane i od czasu do czasu zwierz臋 pokonuje znaczne odleg艂o艣ci, aby unikn膮膰 zbyt d艂ugiego szukania po偶ywienia w tych samych miejscach. Jednak 鈥瀕oty L茅vy'ego鈥� maj膮 uniwersalny charakter i mo偶na je odnale藕膰 r贸wnie偶 w podr贸偶ach ludzi, przep艂ywie informacji w Internecie, trz臋sieniach ziemi czy te偶 na gie艂dach papier贸w warto艣ciowych.
Dlaczego to takie wa偶ne?
Odkrycie to mo偶e mie膰 powa偶ne implikacje dla przysz艂o艣ci nanotechnologii. Na przyk艂ad, dzi臋ki zrozumieniu, w jaki spos贸b ultra-cienkie kryszta艂y bizmutu poruszaj膮 si臋 na graficie, naukowcy mog膮 opracowa膰 materia艂y o znacznie ni偶szym tarciu. Takie materia艂y mog艂yby by膰 stosowane w r贸偶nych urz膮dzeniach, od maszyn precyzyjnych po pojazdy, kt贸re dzi臋ki mniejszemu tarciu by艂yby bardziej wydajne i mniej podatne na zu偶ycie. To z kolei pozwoli艂oby na zaoszcz臋dzenie na kosztach energii (energia zu偶yta na przemieszczanie obiektu nie zamieni si臋 w ciep艂o) oraz oszcz臋dno艣ci materia艂owych (wymagana b臋dzie znacznie mniejsza liczba napraw), co mia艂oby pozytywny wp艂yw na 艣rodowisko. Gdyby uda艂o si臋 ca艂kowicie usun膮膰 tarcia ze spo艂ecze艅stwa, ludzko艣膰 zaoszcz臋dzi艂aby prawie jedn膮 czwart膮 emisji dwutlenku w臋gla.
Jakie s膮 perspektywy na przysz艂o艣膰?
W przysz艂o艣ci naukowcy planuj膮 przeprowadzi膰 jeszcze wi臋cej bada艅, kt贸re pozwol膮 im lepiej zrozumie膰, w jaki spos贸b r贸偶ne czynniki, takie jak temperatura, wielko艣膰 kryszta艂贸w i rodzaj defekt贸w na powierzchni grafitu, wp艂ywaj膮 na tarcie i ruch tych wysp. Poszukuj膮 r贸wnie偶 innych materia艂贸w, kt贸re maj膮 podobne w艂a艣ciwo艣ci.