ФИЗИКА
Трение на наноуровне
А.И.Волокитин
В попытках революционизировать мир с помощью на-нотехнологии важную роль играет трение. Наномасштаб-ным устройствам, основанным на движущихся молекулярных компонентах, под силу радикальным образом изменить способы коммуникации, хранения энергии, доставки лекарств, производства компьютеров и др. Но путь этих устройств из лабораторий на рынок не близок. Удастся ли создать механически и химически устойчивые наномасштабные структуры, способные выдержать экстремальные условия внутри человеческого тела или в других агрессивных средах, где наномаши-ны, как предполагается, могли бы работать? Ведь потеря даже одного слоя атомов может легко привести к разрушению нано-машины!
Для нанотрибологии — науки о трении и износе на атомном уровне — последние годы оказались знаменательными. Получены впечатляющие экспериментальные и теоретические результаты. Так, для идеально гладких и атомарно чистых поверхностей при определенных условиях наблюдалось значительно большее трение, чем для шероховатых, что противоречит интуитивному представлению об определяющей роли шероховатости. Еще более удивительно то, что трение имеет место и при отсутствии непосредственного контакта — между телами, отделенными друг от друга вакуумной щелью. Экспери-
© Волокитин А.И., 2009
Александр Иванович Волокитин, доктор физико-математических наук, профессор Самарского государственного технического университета и Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики. Член редколлегии European Physical JournalB (EPJB). Область научных интересов — физика наноструктур, нанотрибология, зондовая сканирующая спектроскопия.
менты регистрировали трение даже между электронами в квантовых ямах и ионами в узких каналах. Можно ожидать еще больших сюрпризов по мере того, как будет совершенствоваться технология изготовления материалов на нано- и атомном уровнях.
Многовековое трение
Трение может быть как полезным, так и вредным — эту аксиому человек освоил еще на заре цивилизации. Ведь два главных изобретения — колесо и добывание огня — связаны со стремлением уменьшить и увеличить трение. Современная трибология началась приблизительно 500 лет назад, когда Леонардо да Винчи вывел законы движения прямоугольного блока, скользящего по плоской поверхности, дав по сути первую формулировку законов трения. В 1699 г. французский физик Г.Амонтон издал первый формальный трактат о классических, макроскопических, законах трения. Он нашел, что фрикционная сила, которая сопротивляется скользящему движению между двумя поверхностями, пропорциональна перпендикулярной силе, которая прижимает поверхности друг к другу. Кроме того, сила трения не зависит от площади контакта. Кирпич, например, испытывает одно и то же трение независимо от того, какой стороной он положен на пол. Этот закон обычно объясняется тем, что на поверхности практически всегда присутствуют шероховатости. Места выступов на одной поверхности отнюдь не совпадают со впадинами на другой. Как образно выразился в начале 40-х годов один из пионеров трибологии, Ф.Боуден, «наложение двух твердых тел одного на другое подобно наложению Швейцарских Альп на перевернутые Австрийские Альпы — площадь контакта ока-
зывается очень малой». Однако при сжатии остроконечные «горные пики» пластически деформируются и подлинная площадь контакта А увеличивается пропорционально нагрузке, т.е.
А= аБн. (1)
Тогда сила трения может быть записана в виде
Б = о гА = о г аБн = цБн, (2)
где о г — фрикционное напряжение в областях контакта, а ц = о га — коэффициент трения. Если о г не зависит от нагрузки, то от нее не зависит и ц.
Ш.Кулон позже предложил третий закон макроскопического трения, который утверждает, что при обычных скоростях скольжения сила трения не зависит от скорости. На первый взгляд это совершенно не очевидно, так как хорошо известно: на частицу, медленно движущуюся в какой-то среде, действует сила, пропорциональная скорости. Например (согласно формуле Стокса), пропорциональна скорости сила трения, препятствующая движению сферической частицы в вязкой жидкости.
Однако Г.А.Томлинсон (1929) показал, что независящая от скорости сила трения может возникать, если при скольжении даже с очень малой скоростью в системе возникают быстрые необратимые процессы. Чтобы объяснить необратимые скачки, наблюдаемые в процессе трения, Томлинсон предложил механизм, который называется его именем. В отсутствие износа, т.е. отрыва фрагментов поверхности, трение возникает за счет создания напряжений на границе раздела, энергия которых затем высвобождается в форме атомных колебаний, называемых фононами. Согласно механизму Том-линсона, они генерируются, когда механическая работа, необходимая для перемещения одной поверхности относительно другой, преобразуется в звук, энергия которого в конечном счете переходит в тепло. Томлинсон не знал ни о каком экспериментальном свидетельстве того, что такое фо-нонное трение действительно существует, но этот механизм трения впоследствии был подтвержден исследованиями в физике поверхности.
В середине 80-х годов был изобретен атомно-силовой микроскоп, зонд которого представляет из себя чрезвычайно острый наконечник, закрепленный на упругой консоли (кантилевере). При движении кантилевера вдоль поверхности он изгибается за счет взаимодействия острия с поверхностью. С помощью этого прибора удалось исследовать процессы трения при контакте с одиночным выступом. Было показано [1], что при сканировании поверхности острие не следует за движением кантилевера непрерывно; для мягкого кантилевера поместить острие на вершину определенного выступа не удается. За счет этого при перемещении кантилевера вдоль поверхности с бесконечно малой скоростью острие может испытывать неожиданные необратимые скачки из-за механической нестабильности. Эти скачки приводят к гистерезису и трению.
С маслом скользить легче
Наверное, с доисторических времен известно, что смазанные жиром или даже просто смоченные водой поверхности скользят значительно легче. Смазка трущихся поверхностей применялась с момента зарождения техники, но только О.Рей-нольдс в 1886 г. дал первую теорию смазки. Лучшей смазкой оказывается субстанция с большей вязкостью — вода проигрывает маслу. На первый взгляд это кажется парадоксом, ведь большая вязкость означает большую силу трения при скольжении слоев жидкости друг относительно друга.
Однако большая вязкость приводит ко второму эффекту. Предположим, что мы прижимаем друг к другу две поверхности, разделенные слоем жидкости. Жидкость будет выдавливаться из области контакта, однако для жидкостей с большой вязкостью это процесс длительный. Если два тела скользят друг относительно друга с достаточно большой скоростью, жидкость не успевает выдавиться и тела остаются разделенными достаточно толстой ее пленкой. Этот режим, когда трение очень мало, называется гидродинамической. или жидкостной смазкой; сила трения здесь увеличивается при увеличении скорости скольжения. Но если скорость недостаточно велика или вязкость жидкости мала, жидкость будет выдавливаться и возникнет прямой контакт между поверхностями. В этом режиме, который называется граничной смазкой, сила трения значительно больше (приблизительно в 100 раз) и не зависит от скорости. Итак, вязкость жидкости, используемой, например, в двигателе, должна быть достаточно велика, чтобы гарантировать возникновение гидродинамической смазки при работе двигателя с нормальной скоростью, но не экстремально большой, чтобы минимизировать трение. При запуске и остановке двигателя всегда действует граничная смазка, что должно учитываться в разработке смазок (коммерческие смазочные масла имеют добавки, улучшающие их свойства в режиме граничной смазки).
Гидродинамический режим понят достаточно хорошо, силы трения в этом случае могут быть вычислены из уравнений динамики вязкой жидкости. Напротив, по граничному режиму остаются вопросы. Эксперименты показали, что даже здесь между скользящими поверхностями присутствуют по крайней мере несколько монослоев молекул смазки. Они оказывают сильное влияние на процесс скольжения. Если вязкость служит определяющим параметром при гидродинамической смазке, она совершенно не важна при граничной, когда на первое место выходит природа непосредственного взаимодействия твердых поверхностей и молекул смазки. Именно с таким случаем мы сталкиваемся для наноструктур: из-за их малых размеров смазка легко будет выдавливаться из области контакта двух поверхностей.
Остановиться или скользить
Один из самых общих типов трения в макроскопическом масштабе — статическое. Это сила, требующаяся, чтобы привести покоящееся тело в движение, и она почти всегда больше, чем сила, которая нужна для поддержания движения тела. Статическое трение может зависеть в том числе и от того, как долго две поверхности были в контакте друг с другом. Близко связано с ним трение типа «прилипание-скольжение», при котором переход от статического к динамическому трению приводит к повторяющимся прилипаниям и скольжениям. Этот механизм ответственен за знакомые визжащие шумы, связанные с торможением автомобиля.
Для наглядности рассмотрим тело, которое может скользить по поверхности (рис.1). Попытаемся сдвинуть его с места, потянув за трос с динамометром. При малом перемещении конца троса тело остается на месте: силы, возникающей за счет растяжения пружины динамометра, оказывается недостаточно. Обычно говорят, что на контактирующих поверхностях развивается сила трения, уравновешивающая приложенную силу. Если конец троса перемещается с постоянной скоростью, сила пружины будет линейно расти со временем, пока тело остается в покое. Когда сила достигает критической величины Fsl, называемой статической силой трения, тело начинает двигаться — либо равномерно, если сила пружины уравновешивается силой трения, либо чередуя состояние покоя со скольжением. Возникновение переменного движения объясняется следующим образом. При начале движения сила динамического трения Fd меньше Fst, тело ускорится, пружина динамометра начнет сжиматься и ускорение смени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.