Các nhà khoa học từ Khoa Vật lý và Tin học Ứng dụng tại Đại học Lodz đã công bố một bài báo về ma sát và bôi trơn trên tạp chí Small . Nghiên cứu của họ về bề mặt bismuth di chuyển trên bề mặt than chì đã xác nhận sự tồn tại của một dạng hoàn toàn mới của cái gọi là siêu bôi trơn—một tiếp xúc không ma sát giữa hai vật thể rắn.
Khám phá này có thể cách mạng hóa cách chúng ta thiết kế máy móc nano, thậm chí là xe cộ, trong tương lai. Bằng cách hiểu các quy trình này, chúng ta có thể tạo ra các thiết bị có thể hoạt động hiệu quả hơn nhiều, tiết kiệm năng lượng và tài nguyên.
Các nhà khoa học do Tiến sĩ Hab. Paweł Kowalczyk, phó giáo sư tại Đại học Lodz, dẫn đầu đã phát hiện ra một hiện tượng mới liên quan đến sự biến mất của ma sát—siêu bôi trơn. Hiện tượng đặc biệt này được quan sát thấy khi tiếp xúc với hai vật liệu rắn, bismuth và graphite.
Bismuth được cố ý lắng đọng trên bề mặt than chì (cùng loại vật liệu trong ruột bút chì của bạn) và tạo thành các tinh thể cực kỳ phẳng, mỏng đến mức độ dày của chúng chỉ rộng bằng 2 nguyên tử. Điều ngạc nhiên đầu tiên là các tinh thể bismuth di chuyển xung quanh trên bề mặt graphene, theo các đường thẳng. Đây là báo cáo đầu tiên về hiện tượng này, thay đổi cách chúng ta nghĩ về ma sát và độ bám dính của vật liệu, và mở ra các ý tưởng nghiên cứu và phát triển trong tương lai để giảm ma sát.
Siêu bôi trơn là gì?
Siêu bôi trơn là tình trạng mà ma sát giữa các vật liệu rắn trở nên không thể nhận thấy. Trong điều kiện bình thường, ma sát giữa hai bề mặt khiến chúng khó di chuyển so với nhau, vì có lực liên kết các nguyên tử trong cả hai vật liệu, như thể được kết nối bằng các lò xo nhỏ.
Tuy nhiên, trong các hệ thống siêu bôi trơn, những lò xo nhỏ này yếu đến mức hai vật thể có thể di chuyển mà không có lực cản. Hiện tượng này đã được biết đến khá nhiều trong nhiều năm và đó là lý do tại sao nhiều chất bôi trơn thương mại có chứa than chì. Các lớp nguyên tử trong than chì liên kết yếu và có thể dễ dàng trượt khỏi nhau.
Cho đến nay, siêu bôi trơn luôn là đẳng hướng: ma sát bị triệt tiêu theo mọi hướng như nhau. Giờ đây, với khám phá mới này, một dạng siêu bôi trơn mới đã đạt được, trong đó ma sát bằng không theo một hướng duy nhất và có ma sát thông thường theo các hướng khác.
Bạn thậm chí có thể thử nghiệm ở nhà. Sau khi sử dụng bút chì than chì và trước khi rửa tay, hãy chà xát các ngón tay phủ than chì vào nhau. Bạn thực sự có thể cảm thấy lực ma sát cực thấp, vì đầu ngón tay của bạn có thể di chuyển rất dễ dàng và toàn bộ cảm giác rất “trơn”.
Nó hoạt động thế nào?
Trình tự hiển vi được trình bày trong bài báo cho thấy các tinh thể bismuth lắng đọng trên bề mặt than chì không hề tĩnh tại. Mặc dù chúng là chất rắn, nhưng chúng hoạt động giống như những giọt dầu trên bề mặt nóng và liên tục di chuyển từ nơi này sang nơi khác.
Điều đáng ngạc nhiên là chuyển động của chúng luôn diễn ra theo đường thẳng, do sự sắp xếp rất cụ thể của mạng lưới nguyên tử của chúng. Những đường thẳng này gợi nhớ đến đường cao tốc, và vì chúng cho phép chuyển động tập thể nhanh chóng của các tinh thể theo một hướng, nên được gọi là đường cao tốc nano.
Khi phân bố thống kê của quỹ đạo tinh thể được đo, thì hóa ra nó có thể được mô tả bằng cách sử dụng một định luật lũy thừa—tức là, hầu hết các tinh thể bismuth di chuyển trên bề mặt một cách tự phát theo những khoảng cách rất ngắn , chẳng hạn như chiều dài rất ngắn 10 hoặc 20 nm; nhưng một số lượng đáng kể các tinh thể cũng di chuyển những khoảng cách lớn hơn nhiều, lên đến 1000 nm. Điều thú vị là, những chiều dài nano-xa lộ này tuân theo một loại chuyển động ngẫu nhiên được gọi là “chuyến bay Lévy”. Cách di chuyển thống kê trên bề mặt này cực kỳ hiếm khi xảy ra trong nghiên cứu về vật liệu rắn .
Kiểu di chuyển này đặc biệt thú vị vì nó xảy ra ở nhiều khu vực bất ngờ của thiên nhiên, đặc biệt là trong các hệ thống tập thể và thông minh , chẳng hạn như động vật tìm kiếm thức ăn. Để tồn tại, các mô hình kiếm ăn được tối ưu hóa khi thỉnh thoảng, phải di chuyển quãng đường dài để tránh tìm kiếm thức ăn ở những khu vực trống quá lâu. Điều này không chỉ xảy ra trong các hệ thống tự nhiên mà còn trong các hệ thống của con người: luồng thông tin trên Internet và thị trường chứng khoán cũng hoạt động theo thống kê chuyến bay Lévy.
Tại sao điều này lại quan trọng?
Phát hiện này có thể có ý nghĩa quan trọng đối với tương lai của công nghệ nano. Ví dụ, bằng cách hiểu cách các hòn đảo này di chuyển trên than chì, các nhà khoa học có thể phát triển các vật liệu có ma sát thấp hơn nhiều, điều này hiện diện nhiều hơn trong các hệ thống vi mô so với các vật thể quy mô lớn.
Những vật liệu như vậy có thể được sử dụng trong nhiều thiết bị khác nhau, từ máy móc chính xác đến xe cộ, nhờ ma sát thấp hơn, sẽ hiệu quả hơn và ít bị mài mòn hơn. Đổi lại, điều này sẽ cho phép chúng ta tiết kiệm chi phí năng lượng (năng lượng dành cho việc di chuyển vật thể sẽ không chuyển thành nhiệt) và tiết kiệm vật liệu (cần ít sửa chữa hơn nhiều), điều này sẽ có tác động tích cực đến môi trường. Nếu ma sát có thể được loại bỏ hoàn toàn khỏi xã hội, nhân loại sẽ tiết kiệm được gần một phần tư lượng khí thải carbon.
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu có kế hoạch tiến hành nhiều nghiên cứu hơn nữa để hiểu rõ hơn về cách các yếu tố khác nhau, chẳng hạn như nhiệt độ, kích thước của các đảo và loại khuyết tật trên bề mặt than chì , ảnh hưởng đến ma sát và chuyển động của các đảo này. Họ cũng đang tìm kiếm các vật liệu khác có đặc tính tương tự.
Nguồn: https://phys.org/