Súrlódási karcolás az atomskálán - tudományos spektrum

Súrlódás: karcolás atomi léptékben

A súrlódás és a kopás mindennapos jelenség, óriási technikai jelentőséggel bír. A súrlódás energiaveszteséghez vezet, mivel az irányított kinetikus energia hővé alakul, és a kopás korlátozza az összes mechanikus eszköz élettartamát, az autómotortól kezdve a számítógépek merevlemezén. Ezért ezeknek a jelenségeknek a kutatása hosszú múltra tekint vissza. Ezt már a fáraók birodalmából származó piramisok képei dokumentálják: A nagy szállítószánok súrlódásának csökkentése érdekében az ókori egyiptomiak megnedvesítették a homokos utakat.

Az egyetemes zseniális Leonardo da Vinci (14521519) először állapította meg a súrlódás fizikai törvényeit. Ezeket azonban nem tették közzé, és Guillaume Amontons francia fizikusnak kellett újra felfedeznie a 17. század végén. Charles-Augustin de Coulomb megtette az első lépéseket a súrlódás mikroszkopikus okainak felkutatásában, beleértve megfontolásaiban a felület mikroszkopikus érdességét is. Valójában a két test közötti súrlódást nagyszámú apró egyedi érintkezés kialakulása, elmozdulása és lebontása határozza meg.

Az atomi erő mikroszkópia bevezetése óta ezek a folyamatok most közvetlenül megfigyelhetők. Ahogy a lemezjátszó tűje szimfóniát olvas ki a lemez barázdáinak geometriájából, az erőmikroszkóp hegye megérzi a felületek atomszerkezetét. Ez az úgynevezett botcsúszás-viselkedéshez vezet: ha a mikroszkóp hegyét óvatosan egy sík kristályos felületre húzzák, akkor atom helyzetben (botban) marad, amíg a húzóerő meghaladja a küszöbértéket; majd a következő ilyen helyzetbe ugrik (csúszik). Az súrlódás az atomrács periodicitásával változik, amely így feltérképezhető.

Hogyan keletkezik a súrlódó hő

Igaz, hogy ez nem valódi atomfelbontás, mivel a csúcs és a minta érintkezése nemcsak egy, hanem sok atomból áll. Ennek ellenére a súrlódási kísérletek megmutatják az atomrács szerkezetét. Az összehasonlítás tisztázhatja az okot: Meghatározhatja a tojástartó doboz periodicitását is, ha finoman áthelyez egy másikat.

A botcsúszás viselkedése korántsem korlátozódik a mikrokozmoszra. Makroszkopikus mindennapi világunkban is előfordul, például egy peregő fékkel, amely szilárdan ül a peremen, amíg a kerék ereje tovább nem fordul, és kissé tovább tolja stb. E folyamat megismétlődésének gyakoriságát hanghullámként érzékeljük.

A súrlódás atomi léptékű vizsgálata tehát korántsem csupán tudományos érdeklődésre tarthat számot. Ezt a fémfelületekkel végzett első kísérleteink is megmutatták. Eszerint az atomi súrlódás és kopás döntően függ a felület kristályrácshoz igazodásától. Csak akkor mérhetnénk kopás nélkül az atommag-csúszás viselkedését, ha például egy rézkristályt vágnának párhuzamosan azzal a kristálysíkkal, amelybe az atomok a legszorosabban csomagolódnak. Ugyanazon kristály más felületein viszont azonnali nehéz anyageltávolítás és szabálytalan ugrások következtek be a súrlódási erőben atomi léptékben.

Központi kérdés, hogy a súrlódási folyamat során hogyan keletkezik pontosan hő. A keletkező energiaveszteséget közvetlenül az erőmikroszkóppal tudtuk meghatározni: A mért súrlódási erő és a csúcs útjának szorzatából adódik. Mint megállapítottuk, a csúszási folyamat során általában elvész az energia. Világosan el lehet képzelni, hogy a hegy megrántja a felszíni atomokat, amelyek felett gyorsan átsuhan. Mozgásuk nagyon gyorsan átkerül az összes szomszédos atomra, és elveszik a rács rezgéseiben, vagyis a hőben.

A kopás atomméretekben is megvizsgálható az erőmikroszkóppal. Ehhez csak kellően meg kell növelni a hegy nyomását; egy ponton az atomokat vakarja ki a felszínről.

Részletesebben megvizsgáltuk a kálium-bromid kristályok kopásának ezt a kezdeti szakaszát. Ehhez először viszonylag nagy erővel karcoltunk meg néhány atomréteget a felszín mélyén, majd kis érintkezési nyomással raszterizáltuk. Ily módon a botcsúszásnak köszönhetően nemcsak a sérült terület domborzatát, hanem annak atomszerkezetét is megmutathattuk. A külső hatások, például a páratartalom minimalizálása érdekében a kísérleteket vákuumkamrában végeztük.

Meglepetésünkre az ablált atomok korántsem véletlenszerűen helyezkedtek el a karc körül, hanem rendezett rétegekből álló halmokat képeztek, amelyek tökéletesen alkalmazkodtak a kristályos bázishoz. Nyilván addig mozognak a felszínen, amíg vissza nem térnek a kristályrács szabályos helyzetébe, ahol az atomerő-mikroszkóp hegye segítheti ezt az elmozdulást. Ez az új megállapítás fontos a kopási folyamat szimulációs kísérleteihez. A megfelelő modelleknek figyelembe kell venniük, hogy az ablált atomok szinte azonnal újra kristályosodnak és ezáltal visszanyernek egy bizonyos szilárdságot.

Viseljen súrlódással szemben

Amikor a kopás bekövetkezik, a mozgási energia mekkora részét emészti fel a súrlódáshoz képest? Ez az erőmikroszkóppal is meghatározható. Csak annyit kell tennie, hogy pontosan megmérje a karcolás domborzatát. Az eredményből kiderül, hogy hány atom szabadult fel a kristályból. Megkötő energiáik összege az összes felhasznált energiához viszonyítva, amely az erőmérések eredményeként megadja a kopásnak tulajdonítható arányt. Mint megtudtuk, az energia több mint kétharmada súrlódással azonnal hővé alakul, és csak egyharmadát használják fel a kristály megtörésére.

Vizsgálataink az energiaveszteséggel és a felszín módosításával az atomi skálán minden bizonnyal segítenek jobban megérteni a súrlódást és a kopást makroszkopikus szinten is. Végül is mindkét világ gyakran szorosan kapcsolódik egymáshoz. A modern motorok dugattyúinak kopása óránként egy nanométer tartományban van, ami néhány atomrétegnek felel meg. A mágneses tárcsákon lévő védőréteg csak néhány nanométer vastag, így nem akadályozza a bitek legnagyobb felbontásban történő leolvasását. Az olvasófejjel való akaratlan érintkezés okozta kopás az egyik központi technológiai probléma a merevlemezek fejlesztésében.

De eredményeink a nanotudományokban is fontossá válhatnak. Elképzelhető, hogy az elmozdult atomok megfigyelt átkristályosodása jelentősen megkönnyíti a nanotechnológusok számára az apró szerkezetek és eszközök felépítését, amelyekre törekednek.