Kineski stručnjaci za nanotehnologiju pronašli prekidač za trenje

U svijetu strojarstva trenje je tradicionalni “neprijatelj” koji uzrokuje trošenje materijala i gubitak energije u obliku topline. Dok se uobičajeni problemi trenja rješavaju mazivima, na atomskoj razini postoji suptilniji fenomen poznat kao elektronsko trenje. Ono se javlja na metalnim ili kemijski aktivnim površinama kada atomske jezgre jedne površine prenose energiju elektronima druge površine, stvarajući silu otpora koja raste s brzinom klizanja.

Dosadašnja istraživanja ovog fenomena bila su otežana jer je elektronsko trenje gotovo nemoguće razlučiti od fononskog trenja, koje nastaje uslijed vibracija na atomskoj skali. Međutim, istraživački tim sa Sveučilišta Tsinghua u Pekingu uspio je dizajnirati eksperimentalnu platformu koja izolira te dvije komponente, koristeći rotaciju atomskih rešetki dviju grafitnih površina.

Kontrola putem napona

Primjenom metode “strukturne superlubrikacije”, znanstvenici su uspjeli gotovo u potpunosti potisnuti fononske vibracije, ostavljajući elektronske učinke kao primarni izvor trenja. Tijekom eksperimenata su otkrili da primjena mehaničkog pritiska na gornju površinu uzrokuje preklapanje i hibridizaciju elektronskih stanja u jedan zajednički sustav. Taj proces minimizira elektronsku pobudu, čime se elektronsko trenje može praktički u potpunosti “isključiti”.

Osim mehaničkog pritiska, tim je koristio i električni napon kako bi manipulirao raspodjelom naboja na dodirnim površinama. Za razliku od pritiska koji eliminira trenje, podešavanje napona omogućuje precizno fino ugađanje magnitude sile otpora. Njihovi rezultati objavljeni su u časopisu Physical Review X i pružaju inženjerima teoretski i praktični okvir za upravljanje silama koje materijali doživljavaju pri međusobnom klizanju.

Budućnost nanosustava

Razdvajanje učinaka elektronskog i fononskog trenja predstavlja značajan iskorak u razumijevanju fizike površina. Iako je istraživanje provedeno u kontroliranim laboratorijskim uvjetima, implikacije su dalekosežne za razvoj nanotehnologije. Mogućnost upravljanja trenjem u stvarnom vremenu mogla bi dovesti do nove generacije uređaja s minimalnim energetskim gubicima i drastično produljenim vijekom trajanja, bez uobičajenog habanja. Time bi se riješio jedan od temeljnih problema mehaničke degradacije u uređajima – no, samo onima izrađenima na mikro- i nanoskalama, poput nanorobota.