Naukowcy opracowali metodę kontrolowania tarcia elektronicznego, czyli stałej siły w materiałach nawet na idealnie gładkich powierzchniach, co potencjalnie otwiera drogę do bardziej wydajnych i trwałych technologii. Podczas gdy tradycyjne tarcie jest eliminowane za pomocą smarów i inżynierii powierzchni, ta nowo kontrolowana siła powstaje w wyniku interakcji między elektronami w samych materiałach.
Problem z „niewidocznym” tarciem
Tarcie jest podstawową siłą przeciwstawiającą się ruchowi niezbędną do wykonywania codziennych czynności, takich jak chodzenie lub zapalanie zapałki. W maszynach jest głównym źródłem strat energii i zużycia. Nowoczesne podejście koncentruje się na minimalizowaniu mechanicznego tarcia, ale nawet przy idealnie gładkiej powierzchni tarcie elektroniczne pozostaje. Dzieje się tak, ponieważ elektrony w materiałach oddziałują podczas ruchu, rozpraszając energię niezależnie od smarowania. Problem polega na tym, że to „ukryte” tarcie nadal istnieje, nawet jeśli tarcie mechaniczne jest znikome.
Nowe elektroniczne urządzenie kontrolujące tarcie
Zespół kierowany przez Zhipinga Xu z Uniwersytetu Tsinghua w Chinach zbudował urządzenie przy użyciu grafitu i półprzewodnika (molibdenu/siarki lub boru/azotu). Materiały te są z natury dobrymi stałymi smarami, co oznacza, że pomiędzy nimi prawie nie występuje tarcie mechaniczne. Taka konfiguracja umożliwiła naukowcom wyizolowanie i zbadanie tarcia elektronicznego. Odkryli, że nawet przy doskonałym mechanicznym poślizgu ruch ten wzbudza elektrony, powodując utratę energii.
Dwa sposoby kontrolowania mocy
Zespół zademonstrował dwa sposoby kontrolowania tarcia elektronicznego:
- Zastosowanie ciśnienia: Zmusza to elektrony pomiędzy warstwami do dzielenia stanów, redukując kosztowne energetycznie interakcje.
- Zastosowanie „napięcia polaryzacji”: Reguluje stopień zakłócenia morza elektronów, skutecznie kontrolując poziom tarcia.
Jeszcze bardziej poprawili sterowanie, zmieniając napięcie w różnych częściach urządzenia, co pozwoliło na precyzyjne dostrojenie, a nie tylko włączanie i wyłączanie.
Dlaczego to jest ważne
Pierwsza obserwacja tarcia elektronicznego datuje się na rok 1998, kiedy badacze zaobserwowali jego zanik w nadprzewodnikach w ekstremalnie niskich temperaturach. Od tego czasu w branży poszukiwano sposobów kontrolowania tego zjawiska bez zmiany materiałów lub stosowania dodatkowych smarów. Według Jacqueline Krim z Uniwersytetu Karoliny Północnej ostatecznym celem jest zdalna kontrola tarcia w czasie rzeczywistym, np. dostosowywanie przyczepności buta na żądanie.
Perspektywy na przyszłość
Chociaż wciąż opracowywany jest kompleksowy model matematyczny odnoszący się do wszystkich rodzajów tarcia, Xu uważa, że wyniki te są obiecujące w zastosowaniach, w których tarcie elektroniczne dominuje w stratach energii lub zużyciu. Badania te mogą ostatecznie doprowadzić do powstania urządzeń o znacznie zwiększonej żywotności i zmniejszonym zużyciu energii poprzez wyeliminowanie wcześniej niekontrolowanego źródła nieefektywności.
Możliwość kontrolowania tarcia elektronicznego stanowi znaczący krok w kierunku bardziej wydajnych technologii, potencjalnie wpływających na branże, od produkcji po elektronikę użytkową.
