Superledningsevne reducerer friktionskraften • Yuri Yerin • Videnskabsnyheder om "Elements" • Fysik, nanoteknologi

Superledningsevne reducerer friktion

Fig. 1. a) Et eksempel på makroskopisk friktion: En bog, der glider på et bord (N er støttereaktionskraften, der virker på den del af bogen). (B) Mikroskopisk friktion: Ufuldkommenheden af ​​overfladerne af to legemer fører til forekomsten af ​​mikrokontakt eller ruhed, på grund af hvilken friktion er født. (C) Et typisk atomkraftmikroskop består af en lille følsom kraftføler eller cantilever med en nål. Når nålen bevæger sig langs stoffets hårde overflade, forekommer det normale (vinkelret på bevægelsesretningen) og tværgående kræfter, der bevirker, at cantileveren bøjer og bøjer. Cantileverens forskydning detekteres af en laserstråle reflekteret fra dens overflade og falder på en særlig følsom fotodiode. En cantilever med en nål af et atomkraftmikroskop er en god model, der efterligner vekselvirkningen af ​​en enkelt ruhed med hele overfladen. Billede fra physics.leidenuniv.nl

På trods af sin tilsyneladende enkelhed forbliver friktion et kontroversielt og dårligt forstået problem. I særdeleshed tillader manglen på et klart forhold mellem friktion på mikro- og makroskopisk niveau os at udlede en grundlæggende lov, der giver os mulighed for at beskrive dette fænomen lige korrekt på forskellige skalaer.Et team af forskere fra Schweiz og Spanien, efter at have undersøgt interaktionen mellem siliciumnålen af ​​et atomkraftmikroskop med en niobiumfilm, viste, at når niob bliver superledende, falder koefficienten for friktion for det tre gange. Resultaterne af forskningen kan yderligere tydeliggøre friktionens art og hjælpe med at etablere en universel lov.

Friktion er til stede i et enormt antal fysiske systemer og spiller en central rolle i fænomener, der forekommer på forskellige niveauer – fra nano og mikrodevice til jordskælv og andre globale processer. På trods af den praktiske og grundlæggende betydning af friktion og den store mængde forskning, der udføres på dette område, forstås de egentlige årsager til friktion indtil nu ikke.

Det virker så svært i et sådant almindeligt fænomen? Et skolekursus i fysik siger, at friktionskraften mellem to kroppe er proportional med trykket, som de udøver på hinanden, eller kraften i en reaktions reaktion. Den dimensionsløse proportionalitetskoefficient er friktionskoefficienten. Ovennævnte forhold er formelt kendt som Amonton-Coulomb-loven, opkaldt efter forskere, der eksperimentelt opnår den i henholdsvis 1699 og 1785.Af hensyn til retfærdighed må det siges, at denne lov faktisk blev empirisk afledt tre århundreder før Leonardo da Vinci.

Friktion på makro og mikroniveau

Amonton-Coulomb-loven er egnet til at beskrive friktionskraften mellem organer af forskellige materialer og forskellige geometriske former, men intet, der virkelig er grundlæggende, kan læres af det, der ville klarlægge friktionens "kilder". Desuden ophører Amonton-Coulomb-loven, når den går videre til det mikroskopiske område, for at være opfyldt, fordi friktionskræfterne begynder at afhænge af området af kontaktfladerne, på deres bevægelses relative hastighed og endvidere allerede er ikke-lineært relateret til støttekraften.

Dette kan illustreres ved følgende eksempel. Antag en bog glider over bordfladen (figur 1a). Hvis du "ser tæt på" på kontaktfladerne i bogen og i bordet, vil du opdage, at tilsyneladende glatte overflader faktisk har mikroskopiske fordybninger og forhøjelser (figur 1b). Det viser sig, at den rigtige kontakt mellem to organer sker gennem en lang række mikroskopiske kontakter eller grovhed.I virkeligheden er kontakten med mikroskopiske ruheder et interaktion mellem en gruppe af atomer, der hver kan bestå af flere titre, hundredvis eller flere atomer. Derfor trækker en stigning i pressetryk ikke kun nye atomer ind i disse foreninger, hvilket afspejles i form af en stigning i ruhedsområdet, men fremkalder også kontakten med anden ruhed. I sidste ende er der en stigning i det samlede areal af kontaktfladerne og følgelig øges friktionskraften. Denne kendsgerning er naturligvis ikke taget i betragtning i den makroskopiske Amonton-Coulomb-lov.

Når du glider bøger på bordet, er det meget svært at studere dynamikken i friktion i dynamik, da det er umuligt at følge hver ruheds adfærd separat på grund af deres store antal. Derfor ville det være godt at begynde med at undersøge friktionen i et system bestående af en eller to ruheder med en lille reaktionskraft fra overfladen (for ikke at forårsage mekanisk ødelæggelse af ruheden). Materialet, der blev akkumuleret under sådanne forsøg, kunne bidrage til at etablere den virkelige friktionslov, som kunne udføres ikke kun i makro men også i mikroskopiske systemer.

Med opfindelsen af ​​atomkraftmikroskopet i 1986 blev det muligt at undersøge overfladerne af materialer på tidligere uopnåelige skalaer. Nu kunne forskere få billeder af overfladestrukturen af ​​materiel med atomopløsning og måle kræfter i størrelsesordenen nanonewton eller mindre. Sammen med dette, blev det klart, at hovedbestanddelen af ​​en atomic force mikroskop – cantilever med en mikroskopisk spids på enden (fig 1c.) – under sin bevægelse hen over overfladen af ​​et stof kan tjene som en reel model for forekomst af friktion i systemet med en enkelt kontakt (ruhed) og en meget lav styrken af ​​understøtningsreaktionen (figur 2).

Fig. 2. Diagram af et typisk eksperiment for at studere friktion ved nanoskalaen: Nålen af ​​et atomkraftmikroskop bevæger sig langs overfladen af ​​et materiale. Lilla og grønne bolde betegner atomer af kontaktende stoffer – henholdsvis overflade og nål. Friktionskraften mellem spidsen og overfladen afhænger af kontaktområdet (kontakt størrelse afhængighed), nålen trykkraft på overfladen, er det også en reaktionskraft støtte (normalkraft afhængighed), retningen af ​​bevægelse af nålen (retningsbestemt afhængighed: anisotropi), overfladetemperaturen og bevægelsen af ​​nålen hastighed ( temperatur / hastighedsafhængighed) og strukturerkrystalgitter af overfladen eller arrangementet af atomer langs de vigtigste krystallografiske retninger (krystallografiafhængighed). Sort pil viser retningen af ​​anvendelse af kraft røde pile – Mulige bevægelsesretninger og rotation af nålen i forhold til overfladen. Figur fra M. Urbakh og E. Meyer. Renæssancen af ​​friktion // Naturmaterialer, 2010. V. 9. s. 8-10

Fra dette tidspunkt flyttede studiet af friktion til atomniveauet, og videnskaben om friktionens kraft modtog selv præfikset "nano-", der blev til nanotribologi.

Friktion uden kontakt

Yderligere mere. I slutningen af ​​90'erne i begyndelsen af ​​det sidste århundrede blev der udgivet en række eksperimentelle værker, hvor det blev vist, at friktionskræfterne ikke kun er født, når to kroppe kommer i direkte kontakt, men også når de adskilles med en kort afstand af flere nanometer. Sådan en friktion uden kontakt forskere målt ved at observere dæmpningen af ​​cantileveroscillationerne af et atomkraftmikroskop placeret nær overfladen. Således spørgsmålet: hvordan opstår friktion friktion, og hvordan relaterer den sig til "traditionel" kontaktfriktion?

I kontaktfri tilstand adskilles organerne i systemet (mikroskopnåloverfladen) med et hul, der ikke tillader atomer,elektroner eller andre partikler med et nonzero massespring fra et objekt til et andet, det vil sige ingen interaktion, og derfor synes friktion ikke at være. Det er rigtigt, men det elektromagnetiske felt, der opstår som følge af strukturelle inhomogeniteter af genstande (i dette tilfælde mikroskop nåle og overflader) i form af defekter, der skaber ukompenserede elektriske ladninger, er ikke gået nogen steder. Det er elektrostatisk friktion. Temperatur- og kvantesvingninger af elektriske strømme, der opstår under bevægelsen af ​​ladede partikler, gør også deres bidrag. Det er van der Waals friktion (samme temperatur- og kvantesvingninger er ansvarlige for forekomsten af ​​Van-der-Waals intermolekylære kræfter). Elektrostatisk og van der Waals friktion sammen form elektronisk friktion.

Endelig forstyrrer mikroskopnålvibrationerne nærliggende områder af overfladekrystalgitteret, der genererer akustiske bølger på overfladen. Denne form for friktion kaldes fononfriktionEftersom bærerne af disse akustiske bølger (eller kvanter af oscillationer af krystalgitteret) er kvasipartikler, fononer.Det viser sig, at friktion uden kontakt har en dobbelt natur: elektronfriktion (elektrostatisk plus van der Waals) og phonon.

Vi bemærker, at kontaktfriktion i sig selv ikke er forskellig fra friktion uden kontakt og har de samme to elektroniske og phonon-komponenter. Men hvordan er disse to komponenter relateret til honning? Er de lige? Eller dominerer ét begreb den anden? Søgningen efter svar på disse spørgsmål bliver nu forfulgt i spidsen for nanotribologi.

Friktion og superledningsevne

Uventet hjælper fænomenet superledningsevne med at afklare situationen.

Husk, at den største og eneste grund til, at et metal viser sig at være en superleder, er dannelsen af ​​et par ledningselektroner eller Cooper-par i den ved en temperatur under en vis grænse (kritisk temperatur). Parringen af ​​ledningselektroner fører til, at de begynder at opføre sig som en helhed. Med andre ord mister elektroner deres individualitet og danner en enkelt "organisme". På grund af denne enhed flytter elektronerne uden afledning, det vil sige uden energitab, gennem krystalgitteret og ignorerer dets modstand.

Hvis elektroner bliver immune over for forhindringer i deres vej, vil de derfor ikke reagere på eksterne stimuli i form af en mikroskopnål. Følgelig vil kun fonondelen bidrage til friktion i "cantilever needle – superledende overfladesystem", og elektrondelen vil være lig med nul. Herfra vil det være muligt at forstå, hvor stor fononkomponenten af ​​friktion er.

Selvfølgelig har sådanne eksperimenter allerede været gennemført, men som i nogle tilfælde er de i konflikt med hinanden og har syndet unøjagtigheder. Derfor var der behov for et korrekt eksperiment, hvilket ville klarlægge spørgsmålet om at ændre friktionskoefficienten under overgangen af ​​et stof fra en normal tilstand til en superledende og afklare bidraget fra hver af de to komponenter.

Et sådant eksperiment blev udført af en gruppe forskere fra Schweiz og Spanien under ledelse af Ernst Meyer, en velkendt nanotribologistekspert. De offentliggjorde resultaterne af deres forskning i artiklen. Undertrykkelse af elektronisk friktion på Nb-film i superledende tilstand, offentliggjort i januar-udgaven af ​​tidsskriftet Naturmaterialer (i open access artiklen er her, PDF, 572 Kb). Forskere målte friktionskraften mellem en skarp siliciumnål af et atomkraftmikroskop og en niobiumfilm (figur 3).En meget følsom cantilever med en nål oscillerede i en afstand, der varierede næsten fra nul til 3 nm. Friktionskraften blev målt i et temperaturområde på 7 K omkring den kritiske niobetemperatur (9,2 K). Forsøget blev udført under ultrahøje vakuumbetingelser (10-11 atm.).

Fig. 3. Topografien (overfladeaflastning) af niobiumfilmen involveret i eksperimentet. Filmens størrelse er 1 × 1 μm. Billedet blev opnået ved anvendelse af et atomkraftmikroskop. Øverst på billedet – Skematisk fremstilling af nålen af ​​et atomkraftmikroskop og dets billede i den højre del, opnået ved hjælp af et scanningelektronmikroskop. Figur fra den diskuterede artikel i Naturmaterialer

Ved at dæmpe cantileverens svingninger – mere præcist ved energidissippationshastigheden – fastslog forskerne, hvordan friktionskoefficienten mellem siliciumnålen og niobiumfilmen varierer afhængigt af temperaturen og afstanden mellem dem.

Lad os præcisere, at den målte friktionskoefficient ikke er den dimensionsløse proportionalitetskoefficient, der fremgår af Amonton-Coulomb-loven. Her er det en dimensionel værdi (kg / s), som er analog med dæmpningskoefficienten i ligningen,som beskriver oscillationer af et pendul under hensyntagen til den eksisterende modstand (friktion ved pendelens suspension, modstand af det medium, hvori det oscillerer osv.). På trods af disse forskelle i dimensioner er det ikke værd at tænke på, at de udførte forsøg registrerede en slags "speciel" friktionskraft. Begge karakteristika gør det ligeledes muligt at bedømme friktionenskraftens natur med ændringer i temperatur og afstand.

Afhængigheden af ​​friktionskoefficienten på temperatur er vist i fig. 4. Ovennævnte graf svarer til afstanden mellem nålen og folien af ​​niobium 0,5 nm.

Fig. 4. Temperaturændring af friktionskoefficienten ved passage gennem en kritisk temperatur (Tc = 9,2 K) for niobium. Røde firkanter svarer til de data, der er taget fra eksperimentet. Grøn kurve – Dette er den teoretiske afhængighed af friktionskoefficienten beregnet på baggrund af den mikroskopiske teori om superledningsevne (BCS-teorien). Afstanden mellem siliciumnålen af ​​et atomkraftmikroskop og en niobiumfilm er 0,5 nm. Figur fra den diskuterede artikel i Naturmaterialer

Det ses, at faldet i temperatur og overgangen af ​​niob til superledende tilstand (T/Tc <1) forårsager et omtrent tredobbelt fald i friktionskoefficienten, som havde en konstant værdi i normal tilstand. Baseret på denne reduktion konkluderer artiklens forfattere, at et stof i en superledende tilstand forårsager friktion kun på grund af fononer, og det elektroniske bidrag begynder at blive undertrykt.

For at finde ud af, hvordan elektron- og fononbidraget til friktion ændres med afstand, måler forskerne den tilsvarende afhængighed af friktionskoefficienten for en film, der er først i den normale tilstand og derefter i den superledende (ved en temperatur på ca. 5 K, det vil sige næsten to gange mindre Tc for niobium).

Fig. 5. Afhængighed af friktionskoefficient på afstand for normal (grønne rhombusser) og superledende (røde firkanter) niobiumfilmtilstand. Faste linjer repræsenterer et forsøg på at beskrive omtrent arten af ​​forandringen i friktionskoefficienten med stigende afstand (i nanometer). For normal niob er denne afhængighed omvendt proportional med afstandend, for superledende – omvendt proportional d i et omfang på 3,8. Indsæt i øverste højre hjørne De samme kurver vises i logaritmisk skala. Figur fra den diskuterede artikel i Naturmaterialer

At dømme efter, hvor hurtigt den røde kurve falder (Fig. 5), som kendetegner afhængigheden af ​​friktionskoefficienten på afstanden til superledende niob, og hvordan den analoge afhængighed (den grønne kurve) for den normale tilstand opfører sig relativt langsomt, er det ikke svært at forstå, at elektronisk komponent. Hvis vi igen ser på, at friktionskoefficienten falder med faldende temperatur (figur 4), så skal det siges, at selvom elektronisk friktion undertrykkes, bidrager det stadig til total friktion ved temperaturer tæt på kritiske.

Eksperimenter viser således klart, at friktion hovedsagelig er af elektronisk art, forudsat at stoffet er i en normal tilstand. I superledende tilstand langt fra den kritiske temperatur er den primære "kilde" af friktion fononer.

Kilde: Marcin Kisiel, Enrico Gnecco, Urs Gysin, Laurent Marot, Simon Rast, Ernst Meyer. Suppression af Nb-film i superledende tilstand (fuld tekst – PDF, 572 Kb) // Naturmaterialer. 2011. V. 10. s. 119-122.

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: