Трение поверхностей смоделировали на уровне атомов

Новый эксперимент демонстрирует возможность скольжения двух поверхностей относительно друг друга практически без трения скольжения

(иллюстрация Christine Daniloff/MIT).

Физики долгое время изучают удивительный феномен сверхгладкости поверхностей (superlubricity) — явление, при котором поверхности могут скользить друг по другу почти без трения скольжения. Понимание природы этого явления позволит строить агрегаты, которые не теряют энергии при соприкосновении различных её частей, что привело бы к настоящей революции инженерии.

Команда учёных из Массачусетского технологического института под руководством Владана Вулетича (Vladan Vuletić) провела эксперимент, в ходе которого смоделировала трение поверхностей, "спустившись" до масштаба отдельных атомов. Для этого были использованы ионы в вакуумной ловушке.

Одна трущаяся поверхность была сымитирована рядом отрицательно заряженных ионов иттербия, удерживаемых в электрическом поле. Вторую же поверхность "изображали" фотоны из двух лазерных пучков. Интерференционные картины, созданные двумя лазерами, сформировали ландшафт сил, похожий на тот, что возникает между перемычками рифлёного металла.

Когда команда заставила ряды ионов скользить по второй "поверхности", то давление света на ионы сымитировало межатомные силы, которые создают трение между двумя твёрдыми поверхностями.

Подробный отчёт об эксперименте Вулетич и его коллеги представили в статье, опубликованной в журнале Science.

Такая система ионной симуляции впервые была предложена итальянским физиком-теоретиком Эрио Тозатти (Erio Tosatti) в 2011 году. По его словам, главным преимуществом данной методики является тот факт, что экспериментаторы могут изменять параметры системы, такие как расстояние между атомами, температура среды, скорость воздействий и так далее. Это невозможно сделать, даже экспериментируя с настоящими твёрдыми поверхностями.

Тозатти был первым учёным, кто успешно продемонстрировал в 2004 году, что ионы могут быть использованы для проверки теоретических моделей сверхгладкости поверхностей.

Поначалу Вулетич и его команда попытались провести эксперимент с одним ионом, а затем с ионами, разделёнными интервалами, эквивалентными расстоянию между гребнями волны света. Последний опыт в точности сымитировал ситуацию, в которой два одинаковых материала скользят по поверхности друг друга.

Но затем учёные немного изменили расстояния между ионами, и оказалось, что в такой ситуации трение падает очень существенно — почти в 10 раз. То есть поведение системы точно имитировало эффект сверхгладкости.

"Слаженное движение атомов в системе было очень похоже на телодвижения гусеницы", — поясняет Вулетич в пресс-релизе.

Устройство, построенное командой Вулетича, является гибридом двух технологий — захвата ионов электрическими полями и захвата нейтральных атомов лазерами — которые часто используются в качестве "квантовых тренажёров" для таких явлений, как сверхпроводимость, или в качестве испытательных стендов для квантовых компьютеров будущего.

И хотя в данном эксперименте учёные рассматривали исключительно явления классической физики, в ближайшем будущем они планируют изучить квантово-механические эффекты, возникающие при трении поверхностей в данной системе. По словам авторов исследования, именно разносторонний взгляд на это явление поможет раскрыть секреты явления сверхгладкости.