Алмаз, обёрнутый в графен, побеждает трение

Исследователи из США продемонстрировали метод, позволяющий на макроскопическом уровне понизить трение между двумя поверхностями, сведя коэффициент трения фактически к нулю.

Явление, которое было открыто случайно, проявляется при комбинировании наноалмазов с листами графена; графен оборачивается вокруг наноалмазов, формируя «наносвитки», смазывающие две поверхности. Поскольку на преодоление силы трения во время работы всех механических устройств тратится огромное количество энергии, открытие в перспективе сможет сэкономить значительное количество энергии и материальных средств.

На макроскопическом уровне трение является результатом микроскопических дефектов двух соприкасающихся поверхностей, однако на атомно-молекулярном уровне причиной трения являются силы притяжения, возникающие между сближенными атомами и молекулами. Это обстоятельство позволяет говорить о явлении структурной смазывающей способности, возникающей в случае, если расстояние между двумя поверхностями не позволяет атомам одной поверхности приблизиться к атомам другой, что приводит к необычайно низкому трению. К сожалению, масштабирование этой концепции оказалось сложным, так как макроскопические поверхности не представляют собой идеальные кристаллы с дальним порядком – они содержат большое количество деформированных участков и зерен, способных взаимодействовать друг с другом.

Анирудха Сумант (Anirudha Sumant) с коллегами предположил, что поверхность алмазоподобного углерода [diamond-like carbon (DLC)], содержащего атомы углерода в гибридизации sp3 и sp2, может обеспечить условия, при которых поверхность графена практически не будет контактировать с ней, и трение будет сведено к минимуму. Для проверки этой догадки исследователи провели миллиметровый ползун, изготовленный из DLC, по поверхности из оксида кремния, покрытой графеном. Однако измерения значений силы трения, возникающей между этими двумя поверхностями, плохо воспроизводились – в ряде случаев наблюдалось низкое трение, в ряде случаев – высокое. Когда ползунок был проанализирован после измерения силы трения, оказалось, что на нем содержались наноразмерные свитки графена, которые могли образоваться в результате отслаивания графена от модифицированной поверхности.

Предположив, что именно эти наносвитки и обеспечивали низкое трение, исследователи нанесли на поверхность наноалмазы, которые должны были играть роль крошечных шарикоподшипников. В присутствии таких алмазных наноподшипников трение падало практически до нуля и оставалось низким при движении бегунка. Более детальные исследования позволили обнаружить, что хлопья графена свертываются вокруг наноалмазов, снижая трение за счет понижения количества дефектов в кристаллической структуре контактирующих поверхностей.

В настоящий момент феномен использования наноалмазов в качестве шарикоподшипников работает только в инертной и абсолютно сухой атмосфере – кислород воздуха и кислород, растворенный в воде, может связываться с графеном и предотвращать формирование наносвитков. В настоящее время исследователи работают над решением этой проблемы, однако Сумант говорит, что уже сейчас методика может найти применение в ряде областей – космических технологиях или электронных системах, для которых обязателен строгий контроль условий среды.