Naukowcy pod kierunkiem dr. hab. Pawła Kowalczyka, prof. UŁ odkryli nowe zjawisko związane z zanikiem tarcia – nadśliskość. To zadziwiające zjawisko zaobserwowano na styku dwóch materiałów stałych, bizmutu i grafitu. Bizmut jest celowo osadzany na powierzchni grafitu (materiału, znanego z ołówków) i tworzy niezwykle płaskie kryształy, o grubości wynoszącej tylko 2 atomy! Pierwszym zaskoczeniem po rozpoczęciu badań była obserwacja, że kryształy bizmutu wcale nie są statyczne ale poruszają się po powierzchni grafenu, wzdłuż linii prostych. Jest to pierwszy w historii raport dotyczący tego zjawiska, który zmienia sposób, w jaki myślimy o tarciu i przyczepności materiałów oraz otwiera przyszłe pomysły badawczo-rozwojowe w zakresie redukcji tarcia.
Czym jest nadśliskość?
Nadśliskość to stan, w którym tarcie między materiałami stałymi staje się niezauważalne. W normalnych warunkach tarcie między dwiema powierzchniami utrudnia przesuwanie ich względem siebie, ponieważ istnieją siły, które wiążą atomy w obu materiałach, jakby były połączone maleńkimi sprężynkami. Jednak w układach z nadśliskością te maleńkie sprężyny są tak słabe, że oba ciała mogą poruszać się bez oporu. Zjawisko to jest stosunkowo dobrze znane od wielu lat i jest powodem, dla którego wiele komercyjnych smarów zawiera grafit. Warstwy atomowe w graficie są słabo związane i mogą łatwo przesuwać się względem siebie. Do tej pory nadśliskość zawsze była niezależna od kierunku: tarcie zanikało we wszystkich kierunkach jednakowo. Teraz, dzięki temu nowemu odkryciu, uzyskuje się nową formę nadśliskości, w której tarcie wynosi zero tylko w jednym kierunku, a jest niezerowe w każdym innym kierunku.
Z obniżeniem tarcia można poeksperymentować wykorzystując, np. ołówek! Po użyciu ołówka grafitowego spróbuj przetrzeć palce o grafit na kartce, a następnie pocieraj je o siebie przed umyciem rąk – poczujesz ich śliską teksturę. Faktycznie można wyczuć, wyjątkowo niskie tarcie, ponieważ czubki palców mogą się bardzo łatwo poruszać względem siebie – są bardzo "śliskie". To co obserwujesz to nadśliskość w grze!
Jak to działa?
Przedstawione w artykule obrazy mikroskopowe pokazują, że kryształy bizmutu osadzone na powierzchni grafitu wcale nie są statyczne. Mimo, że są ciałami stałymi, zachowują się trochę jak krople oleju na gorącej powierzchni i nieustannie przemieszczają się z miejsca na miejsce. Co zaskakujące, ich ruch zawsze odbywa się po liniach prostych, ze względu na bardzo specyficzny układ ich sieci atomowych. Owe proste linie przypominają autostrady, a ponieważ umożliwiają one szybki zbiorowy ruch kryształów wzdłuż jednego kierunku, nazywane są nano-autostradami.
Kiedy mierzy się rozkład statystyczny trajektorii kryształów, okazuje się, że można go opisać za pomocą prawa potęgowego – to znaczy, że większość kryształów bizmutu porusza się po powierzchni spontanicznie na bardzo krótkich odległościach, rzędu 10 lub 20 nm – znajdują się na bardzo krótkich nano-autostradach. Jednak część kryształów znajduje się na znacznie dłuższych nano-autostradach i pokonuje większe odległości sięgające nawet 1000 nm. Co ciekawe, długości nano-autostrad, a tym samym skoki kryształów bizmutu są zgodne ze statystyką zwaną "lotami Lévy'ego".
Tego typu statystyka jest szczególnie interesująca, ponieważ występuje w wielu obszarach przyrody np. można ją odnaleźć u zwierząt poszukujących pożywienia – aby przetrwać, wzorce żerowania są optymalizowane i od czasu do czasu zwierzę pokonuje znaczne odległości, aby uniknąć zbyt długiego szukania pożywienia w tych samych miejscach. Jednak „loty Lévy'ego” mają uniwersalny charakter i można je odnaleźć również w podróżach ludzi, przepływie informacji w Internecie, trzęsieniach ziemi czy też na giełdach papierów wartościowych.
Dlaczego to takie ważne?
Odkrycie to może mieć poważne implikacje dla przyszłości nanotechnologii. Na przykład, dzięki zrozumieniu, w jaki sposób ultra-cienkie kryształy bizmutu poruszają się na graficie, naukowcy mogą opracować materiały o znacznie niższym tarciu. Takie materiały mogłyby być stosowane w różnych urządzeniach, od maszyn precyzyjnych po pojazdy, które dzięki mniejszemu tarciu byłyby bardziej wydajne i mniej podatne na zużycie. To z kolei pozwoliłoby na zaoszczędzenie na kosztach energii (energia zużyta na przemieszczanie obiektu nie zamieni się w ciepło) oraz oszczędności materiałowych (wymagana będzie znacznie mniejsza liczba napraw), co miałoby pozytywny wpływ na środowisko. Gdyby udało się całkowicie usunąć tarcia ze społeczeństwa, ludzkość zaoszczędziłaby prawie jedną czwartą emisji dwutlenku węgla.
Jakie są perspektywy na przyszłość?
W przyszłości naukowcy planują przeprowadzić jeszcze więcej badań, które pozwolą im lepiej zrozumieć, w jaki sposób różne czynniki, takie jak temperatura, wielkość kryształów i rodzaj defektów na powierzchni grafitu, wpływają na tarcie i ruch tych wysp. Poszukują również innych materiałów, które mają podobne właściwości.