Forskare från fakulteten för fysik och tillämpad informatik vid universitetet i Lodz har publicerat en artikel om friktion i tidskriften Small. Deras forskning om ”vismutöar” som rör sig på grafitytor bekräftade förekomsten av en helt ny form av så kallad superlubricitet – en friktionsfri kontakt mellan två fasta kroppar.
Denna upptäckt kan revolutionera hur vi i framtiden konstruerar maskiner i nanoskala och till och med fordon. Genom att förstå dessa processer kan vi skapa enheter som fungerar mycket mer effektivt och sparar energi och resurser.
Forskare under ledning av Dr. Hab. Paweł Kowalczyk, docent vid universitetet i Lodz, har upptäckt ett nytt fenomen relaterat till friktionsförsvinnande – superlubricitet. Detta speciella fenomen observerades vid kontakt mellan två fasta material, vismut och grafit.
Vismut deponeras avsiktligt på ytan av grafit (samma material som finns i blyertsstift) och bildar extremt plana kristaller, så tunna att deras tjocklek endast är 2 atomer. Den första överraskningen var att vismutkristallerna rör sig på grafenytan längs raka linjer. Detta är den första rapporten någonsin om detta fenomen, vilket förändrar vårt sätt att tänka på friktion och vidhäftning mellan material och öppnar upp för framtida forskning och utveckling inom friktionsreducering.
Vad är superlubricitet?
Superlubricitet är ett tillstånd där friktionen mellan fasta material blir omärkbar. Under normala förhållanden gör friktionen mellan två ytor det svårt att flytta dem i förhållande till varandra, eftersom det finns krafter som binder atomerna i båda materialen, som om de var förbundna med små fjädrar.
I superlubricitetssystem är dock dessa små fjädrar så svaga att de två kropparna kan röra sig utan motstånd. Detta fenomen har varit relativt välkänt i många år och är anledningen till att många kommersiella smörjmedel innehåller grafit. Atomlagren i grafit är svagt bundna och kan glida lätt från varandra.
Hittills har superlubricitet alltid varit isotropisk: friktionen upphävs i alla riktningar på samma sätt. Nu, med denna nya upptäckt, har en ny form av superlubricitet uppnåtts, där friktionen är noll i endast en riktning och har konventionell friktion i andra riktningar.
Du kan till och med experimentera med detta hemma. Efter att ha använt grafitbaserade pennor och innan du tvättar händerna, gnugga dina grafitbelagda fingrar mot varandra. Du kan faktiskt känna den extremt låga friktionen, eftersom fingertopparna kan röra sig mycket lätt och det hela känns mycket ”hal”.
Hur fungerar det?
Mikroskopiska sekvenser som presenteras i artikeln visar att vismutkristallerna som avsätts på grafitytan inte alls är stationära. Trots att de är fasta ämnen beter de sig lite som oljedroppar på en het yta och rör sig ständigt från plats till plats.
Överraskande nog sker deras rörelse alltid längs raka linjer, på grund av en mycket specifik ordning av deras atomgitter. Dessa raka linjer påminner om motorvägar och eftersom de möjliggör snabb kollektiv rörelse av kristaller i en riktning kallas de nano-motorvägar.
När den statistiska fördelningen av kristallbanorna mäts visar det sig att den kan beskrivas med hjälp av en potenslag – det vill säga att de flesta vismutkristaller rör sig spontant på ytan längs mycket korta sträckor, till exempel mycket korta längder på 10 eller 20 nm, men ett betydande antal kristaller rör sig också mycket längre sträckor, upp till 1000 nm. Intressant nog följer dessa nano-motorvägssträckor en typ av slumpmässig rörelse som kallas ”Lévy-flykt”. Detta sätt att statistiskt röra sig på ytan är extremt sällsynt i studiet av fasta material.
Denna typ av rörelse är särskilt intressant eftersom den förekommer i många oväntade områden i naturen, särskilt i kollektiva och intelligenta system, såsom djur som söker efter föda. För att överleva optimeras födosökningsmönstren när det ibland krävs stora resor för att undvika att söka efter föda i tomma områden under för lång tid. Detta sker inte bara i naturliga system, utan även i mänskliga: informationsflödet på internet och aktiemarknaden följer också Lévy-flygstatistik.
Varför är det viktigt?
Denna upptäckt kan få stora konsekvenser för nanoteknikens framtid. Genom att förstå hur dessa öar rör sig på grafit kan forskare till exempel utveckla material med mycket lägre friktion, vilket är mycket vanligare i mikroskopiska system än i stora objekt.
Sådana material skulle kunna användas i en mängd olika enheter, från precisionsmaskiner till fordon, som tack vare lägre friktion skulle bli mer effektiva och mindre utsatta för slitage. Detta skulle i sin tur göra det möjligt för oss att spara energikostnader (den energi som används för att flytta objektet omvandlas inte till värme) och material (mycket mindre reparationer kommer att behövas), vilket skulle ha en positiv inverkan på miljön. Om friktionen kunde elimineras helt från samhället skulle mänskligheten spara nästan en fjärdedel av koldioxidutsläppen.
I framtiden planerar forskarna att bedriva ännu mer forskning för att bättre förstå hur olika faktorer, såsom temperatur, öarnas storlek och typen av defekter på grafitytan, påverkar friktionen och rörelsen hos dessa öar. De letar också efter andra material som har liknande egenskaper.
Mer information: Maxime Le Ster et al, Evidence of Directional Structural Superlubricity and Lévy Flights in a van der Waals Heterostructure, Small (2024). DOI: 10.1002/smll.202408349
