Sciencemag.cz
Related Articles
Dochází k redistribuci elektronů na rozhraní, která následně mění mezifázové atomární síly.
Výzkumníci (hlavní autor nové studie Tian-Bao Ma z japonské Tsinghua University) navrhli novou strategii pro snížení tření a opotřebení. Metoda obnáší vyvolání dynamického přerozdělení elektronové hustoty pomocí střídavého elektrického proudu.
Nastavení amplitudy a frekvence střídavého proudu umožňuje flexibilní a okamžitou modulaci tření. Udržuje nízké tření a opotřebení po dlouhou dobu při vysokém kontaktním tlaku, přičemž vyžaduje pouze nízké hnací napětí.
Tření a opotřebení jsou v každodenním životě všudypřítomné a jsou hlavními zdroji energetických ztrát a degradace součástek.
Tým zjistil, že při experimentech s vodivou mikroskopií atomárních sil (c-AFM, technika kombinující zobrazování povrchu v atomárním rozlišení s měřením elektrické vodivosti materiálu) lze použitím střídavého proudu o specifických frekvencích snížit třecí sílu mezi vodivým hrotem AFM potaženým iridiem a grafenem (na podložce z niklu) o přibližně 75 % a udržet tuto nízkou úroveň tření po dobu více než 70 000 sekund při kontaktním tlaku 9,1 GPa a proudové hustotě 100 GA/m na 2 bez pozorovatelného opotřebení.
Na rozdíl od snížení tření vyvolaného mechanickými vibracemi neodpovídá optimální frekvence střídavého proudu pro minimalizaci tření rezonanční frekvenci systému. Základní mechanismus je zde odlišný.
Z teoretických úvah/principů a výpočtů vyplynulo, že klíčovým mechanismem pro snížení tření je v tomto případě dynamické přerozdělení hustoty elektronů vyvolané střídavým proudem. Dochází k redistribuci elektronů na rozhraní, která následně mění mezifázové atomární síly.
Vědci vytvořili model, jehož předpovědi týkající se toho, jak se tření mění s amplitudou střídavého proudu, frekvencí a rychlostí klouzání, se dobře shodují s experimentálními výsledky. Tým dále prokázal, že tento elektronicky aktivovaný efekt se vztahuje i na další 2D rozhraní materiál-kov, jako jsou systémy Ir/grafen/Cu a Ir/h-BN/Au (h-BN = hexagonální nitrid bodu). Ve vysoce vodivých systémech je redistribuce elektronů na rozhraní výraznější, což vede k většímu snížení tření.
„Tento mechanismus by mohl nabídnout nové řešení jedné z klíčových výzev, která po desetiletí bránila praktickému využití MEMS/NEMS (mikroeketronicko/nanoelektronicko-mechanické systémy), u nichž dochází k silnému opotřebení při vysokém mechanickém zatížení,“ dodává Tian-Bao Ma.
Song, A. et al. Tuning friction force and reducing wear by applying alternating electric current in conductive AFM experiments. Nature Communications (2025). doi.org/10.1038/s41467-025-59989-4
Zdroj: Tsinghua University / Phys.org, přeloženo / zkráceno
