Исследователи разработали метод управления электронным трением — постоянной силой внутри материалов даже на идеально гладких поверхностях, что потенциально открывает путь к более эффективным и долговечным технологиям. В то время как традиционное трение устраняется смазками и инженерными решениями для поверхностей, эта вновь контролируемая сила возникает из взаимодействий между электронами внутри самих материалов.
Проблема с «Невидимым» Трением
Трение — фундаментальная сила, противодействующая движению, необходимая для повседневных действий, таких как ходьба или чиркание спичкой. В машинах оно является основным источником потерь энергии и износа. Современные подходы сосредоточены на минимизации механического трения, но даже при идеальной гладкости поверхности электронное трение сохраняется. Это происходит потому, что электроны внутри материалов взаимодействуют при движении, рассеивая энергию независимо от смазки. Проблема в том, что это «скрытое» трение продолжает существовать, даже когда механическое трение пренебрежимо мало.
Новое Устройство для Контроля Электронного Трения
Команда под руководством Чжипин Сюй из Университета Цинхуа в Китае построила устройство, используя графит и полупроводник (либо молибден/сера, либо бор/азот). Эти материалы изначально являются хорошими твердыми смазками, что означает, что механическое трение между ними почти отсутствует. Такая настройка позволила исследователям изолировать и изучить электронное трение. Они обнаружили, что даже при идеальном механическом скольжении движение возбуждает электроны, создавая потери энергии.
Два Способа Контроля Силы
Команда продемонстрировала два способа управления этим электронным трением:
- Приложение давления: Это заставляет электроны между слоями делиться состояниями, уменьшая энергетически затратные взаимодействия.
- Приложение «смещающего напряжения»: Это регулирует степень возмущения электронного моря, эффективно контролируя уровень трения.
Они дополнительно усовершенствовали управление, изменяя напряжение в разных частях устройства, что позволило проводить тонкие настройки, а не просто включать или выключать.
Почему Это Важно
Первое наблюдение электронного трения датируется 1998 годом, когда исследователи заметили его исчезновение в сверхпроводниках при экстремально низких температурах. С тех пор эта область стремится найти способы контролировать его без замены материалов или использования дополнительных смазок. Конечная цель, по словам Жаклин Крим из Университета Северной Каролины, — управление трением в реальном времени и удаленно — например, регулировка сцепления обуви по требованию.
Перспективы на Будущее
Хотя всеобъемлющая математическая модель, связывающая все типы трения, все еще находится в разработке, Сюй считает, что эти результаты многообещающи для применений, где электронное трение доминирует в потерях энергии или износе. Это исследование в конечном итоге может привести к устройствам с значительно увеличенным сроком службы и сниженным энергопотреблением за счет устранения ранее неконтролируемого источника неэффективности.
Способность управлять электронным трением представляет собой существенный шаг на пути к более эффективным технологиям, что потенциально повлияет на отрасли от производства до потребительской электроники.
