Физики обнаружили супертрение между нанообъектами

Игла атомного силового микроскопа крупным планом. Разрешение порядка 0,3 микрометров на пиксель
Фото: SecretDisc / Wikipedia

Международная группа исследователей обнаружила эффект резкого увеличения силы трения между отдельными наноразмерными объектами. Эта работа позволяет лучше понять то, как возникает сила трения. Подробности со ссылкой на публикацию в журнале Nature Materials приводит официальный сайт университета Базеля, специалисты которого сделали открытие вместе с британскими и итальянскими учеными.

Ученые провели серию экспериментов с атомным силовым микроскопом. Это устройство сканирует рельеф поверхности за счет перемещения вдоль нее особо острой иглы (кантилевера), которая может «подпрыгивать» даже на отдельных атомах. В качестве образца физики использовали селенид ниобия, NbSe2. Соединение было выбрано за счет своей слоистой структуры: ранее его активно исследовали в качестве материала для аккумуляторных электродов, между слоями селена и ниобия хорошо накапливаются ионы лития.

Слоистая структура также обуславливает неравномерное распределение электрического заряда в материале. Если селенид ниобия охладить до нескольких десятков кельвин (эффект наблюдался до -203 градусов Цельсия или 70 кельвин), то электроны в нем скапливаются в определенных местах и к таким местам игла атомного силового микроскопа притягивается намного сильнее. Сила притяжения достигала одного наноньютона; для ее измерения ученые использовали не непосредственное перемещение иглы вдоль образца, а косвенный, основанный на колебаниях иглы вблизи поверхности, метод. Когда игла микроскопа совершала колебания вблизи тех мест, где плотность электрического заряда была максимальна, она испытывала максимальное сопротивление. По словам ученых, которые приводит университет Базеля, игла словно погружалась в вязкую жидкость.

Новый эксперимент позволяет лучше понять природу сил трения на микроскопическом уровне. При этом далеко не всегда переход от обычных объектов к наночастицам означает увеличение трения: недавно другая группа ученых опубликовала исследование, в котором описала нелинейный характер связи силы трения с размером образца. Небольшие частицы золота при движении по поверхности кристаллов могли либо залипать на месте, либо свободно скользить в зависимости от того, как цеплялись друг за друга их кристаллические решетки.