Για πρώτη φορά, φυσικοί στην Κίνα κατάφεραν να εξαλείψουν σχεδόν πλήρως την τριβή ανάμεσα σε δύο επιφάνειες σε κλίμακες ορατές με γυμνό μάτι. Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον Quanshui Zheng από το Πανεπιστήμιο Tsinghua, απέδειξε πειραματικά την ύπαρξη της λεγόμενης «δομικής υπερλίπανσης», λύνοντας μια μακροχρόνια επιστημονική διαμάχη. Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters και ανοίγουν νέους δρόμους για την μηχανική και τη βιομηχανία.
Τι είναι η δομική υπερλίπανση
Όταν δύο επιφάνειες ολισθαίνουν μεταξύ τους, η μικροσκοπική τραχύτητά τους δημιουργεί τριβή. Ωστόσο, από το 2004 είναι γνωστό ότι η τριβή μπορεί να σχεδόν μηδενιστεί ανάμεσα σε δύο επιφάνειες γραφίτη, αν οι κρυσταλλικές τους δομές έχουν συγκεκριμένη σχετική περιστροφή. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται δομική υπερλίπανση και υπόσχεται εξάλειψη φθοράς και απώλειας ενέργειας με τη μορφή θερμότητας.
Γιατί ήταν δύσκολη η εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα
Μέχρι σήμερα, η δομική υπερλίπανση είχε παρατηρηθεί μόνο σε μικρο- και νανοκλίμακες. Πολλοί επιστήμονες θεωρούσαν ότι σε μακροσκοπικά μεγέθη το φαινόμενο είναι πρακτικά αδύνατο, λόγω της ελαστικότητας των υλικών και των αναπόφευκτων ατελειών στην κρυσταλλική δομή. Οι επιφάνειες γραφίτη συνήθως αποτελούνται από μικρούς «κόκκους» με διαφορετικούς προσανατολισμούς, γεγονός που καταστρέφει την υπερλίπανση σε μεγαλύτερες επιφάνειες.
Η λύση με μονοκρυσταλλικό γραφίτη
Η ομάδα του Zheng αντιμετώπισε το πρόβλημα χρησιμοποιώντας ειδικά κατασκευασμένες μεμβράνες μονοκρυσταλλικού γραφίτη, με κόκκους μεγέθους χιλιοστών, που αναπτύχθηκαν με τεχνική συνεχούς επιταξίας. Σε συνδυασμό με προσεκτική στοίβαξη, οι ερευνητές μπόρεσαν να ελέγξουν με ακρίβεια τον προσανατολισμό των επιφανειών.
Η μέθοδος αυτή επέτρεψε τη δημιουργία σχεδόν άψογων διεπιφανειών σε υποχιλιοστομετρική κλίμακα, διατηρώντας στενή ατομική επαφή σε μακροσκοπικές επιφάνειες.
Πειράματα με φορτία και απροσδόκητα αποτελέσματα
Χάρη στις καινοτομίες αυτές, οι φυσικοί πέτυχαν σχεδόν μηδενική τριβή ακόμη και όταν ασκούσαν σημαντικά φορτία στην ανώτερη επιφάνεια. Σε ορισμένες περιπτώσεις παρατηρήθηκε ακόμη και «αρνητική τριβή», όπου η αντίσταση μειωνόταν όσο αυξανόταν το βάρος.
Σε ακραία σενάρια, οι υπολογισμοί έδειξαν ότι ακόμη και το βάρος ενός ενήλικου ελέφαντα θα μπορούσε να τεθεί σε κίνηση με δύναμη αντίστοιχη με το βάρος δύο αυγών ή με ένα ελαφρύ φύσημα αέρα.
Ένα γενικό φαινόμενο στα στρωματώδη υλικά
Παρόμοια συμπεριφορά παρατηρήθηκε και σε διεπιφάνειες γραφίτη με δισουλφίδιο του μολυβδαινίου, γεγονός που δείχνει ότι η μακροσκοπική δομική υπερλίπανση αποτελεί γενικό φαινόμενο σε επίπεδα στρωματώδη υλικά.
Η ανακάλυψη αυτή ενισχύει τις προσδοκίες για εφαρμογές σε μηχανικά συστήματα, όπου η ελαχιστοποίηση της τριβής και της φθοράς θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην ενεργειακή απόδοση και τη διάρκεια ζωής των υλικών.
