199612_tarcie_na_poziomie_atomo.pdf

(673 KB) Pobierz

Tarcie na poziomie atomowym

Tarcie

na poziomie atomowym

Badania tarcia mi«dzy atomami prowadz do sprzecznych

z intuicj i codziennym doæwiadczeniem wnioskw.

Wskazuj przy tym zaskakujce rd¸a tej si¸y, na przyk¸ad energi« dwi«ku

Jacqueline Krim

zawsze ogarnia¸ mnie niepo-

kj, i to wcale nie z powodu

ciemnoæci panujcych o tej porze roku

w Bostonie ani mýawki zwiastujcej opa-

dy æniegu, ani nawet zapchanych par-

kingw przy centrach handlowych w

okresie æwitecznych zakupw. By¸ to

ostatni tydzieÄ zg¸aszania streszczeÄ

prac, ktre mia¸y by prezentowane na

corocznym marcowym zjedzie Ameri-

can Physical Society, skupiajcym fizy-

kw zajmujcych si« materi skonden-

sowan. W 1986 wraz z koleg Allanem

Widomem opracowa¸am doæwiadczal-

n metod« pomiaru si¸y tarcia powsta¸ej

na skutek przesuwania si« warstwy gru-

boæci jednego atomu po p¸askiej po-

wierzchni cia¸a sta¸ego. Mia¸am k¸opot

z tym, do ktrego z rozlicznych dzia¸w

tematycznych zakwalifikowa moj pra-

c« o tarciu na poziomie atomowym.

Nie znaczy to, ýe nie by¸o badaÄ nad

tarciem. Zajmujce si« wieloma dyscypli-

nami nauki American Vacuum Society

zaprasza¸o mnie zawsze na konferencje

poæwi«cone tarciu na poziomie makro-

skopowym i zjawiskom w skali nanome-

trowej. Wydaje si« jednak, ýe fizycy g¸w-

nego nurtu badaÄ nie interesuj si« tym

tematem. Prawie jednog¸oænie uznali, ýe

powstawanie tarcia ma zwizek z chropo-

watoæci powierzchni. Biorc pod uwag«

sta¸y nasz kontakt z tarciem w ýyciu co-

dziennym, a takýe ekonomiczne skutki

istnienia tej si¸y, naukowcy powinni bacz-

nie przyjrze si« tej sprawie. (Z oszaco-

waÄ wynika, iý powaýne potraktowanie

problemu tarcia i zuýywania si« materia-

¸w mog¸oby zaowocowa w krajach roz-

wini«tych oszcz«dnoæciami si«gajcymi

1.6% ich produktu krajowego brutto, co

w przypadku USA daje w 1995 roku nie-

bagateln sum« 116 mld dolarw.)

Tak naprawd« nie by¸am osamotnio-

na w moich naukowych dociekaniach.

SZLIFOWANIE powoduje zuýywanie si« powierzchni. W podobnych przy-

padkach tarcie zawsze ¸czono z trwa¸ym uszkodzeniem powierzchni. Nowe

badania wykaza¸y jednak, ýe tarcie moýe wyst«powa takýe wtedy, gdy nie

dochodzi do zuýycia i uszkodzenia materia¸u.

56 å WIAT N AUKI GrudzieÄ 1996

W pierwszym tygodniu grudnia

82374592.323.png

Koniec lat osiemdziesitych przynis¸ kil-

ka nowych technik (w tym takýe moj)

pozwalajcych na badanie si¸y tarcia za-

rwno metodami doæwiadczalnymi po-

przez przesuwanie atomw po pod¸oýu

krystalicznym, jak i teoretycznymi dzi«-

ki nowym modelom komputerowym. W

publikacji ze stycznia 1991 roku pierw-

sza uýy¸am nazwy ãnanotrybologiaÓ do

opisu tarcia rozpatrywanego w dobrze

okreælonej geometrii w skali nanometro-

wej. Wkrtce inni zacz«li takýe pos¸ugi-

wa si« tym terminem. Niewiele dotd

znaczca wyizolowana grupa badaczy

powoli wywalczy¸a sobie naleýne miej-

sce w ærodowisku naukowym.

Nanotrybolodzy wielokrotnie stwier-

dzili, ýe tarcie rozpatrywane w skali ato-

mowej moýe bardzo znacznie rýni si«

od obserwowanego w skali makrosko-

powej. Tarcie ma niewiele wsplnego

z makroskopow chropowatoæci po-

wierzchni, a w niektrych przypadkach

suche powierzchnie w rzeczywistoæci

s bardziej æliskie niý mokre. Si¸a tarcia

jest na tyle z¸oýona, ýe jeýeli nawet po-

trafimy doskonale opisa powierzchnie

zetkni«cia przesuwajcych si« po sobie

warstw, to nie umiemy precyzyjnie

przewidzie, jakie tarcie wystpi na ich

styku.

Gdybyæmy mogli dok¸adnie okreæli

relacje mi«dzy powierzchniami styku

w skali mikro a w¸asnoæciami materia-

¸w makroskopowych, lepiej zrozumieli-

byæmy zjawisko tarcia, co pozwoli¸oby

opracowa na przyk¸ad ulepszone sma-

ry i odporne na zuýycie cz«æci maszyn.

Tego rodzaju technologiczne korzyæci

leýa¸y u podstaw wszelkich prb zrozu-

mienia zjawiska tarcia podejmowanych

przez ludzi od czasw prehistorycznych.

Juý ponad 400 tys. lat temu nasi cz¸eko-

kszta¸tni przodkowie w Algierii, Chinach

i na Jawie wytwarzali narz«dzia z kamie-

nia. Oko¸o 200 tys. lat p.n.e. neandertal-

czycy osign«li prawdziwe mistrzostwo

w wykorzystaniu tarcia Ð potrafili krze-

sa ogieÄ, pocierajc drewno o drewno

lub uderzajc kamieniem o kamieÄ. Tak-

ýe w Egipcie 5000 lat temu nastpi¸ duýy

post«p w poznawaniu zjawiska tarcia.

Skonstruowano smarowane drewniane

sanie uýywane do transportu wielkich ka-

miennych blokw przy budowie piramid.

Rwnania klasyczne

Moýemy chyba przyj, ýe nowocze-

sna trybologia zrodzi¸a si« 500 lat temu.

Wtedy to w¸aænie Leonardo da Vinci

wyprowadzi¸ prawa opisujce ruch pro-

stopad¸oæciennego klocka przesuwajce-

go si« po p¸askiej powierzchni. (Odkry-

cia Leonarda da Vinci nie wp¸yn«¸y

jednak na rozwj nauki, poniewaý przez

setki lat nikt nie opublikowa¸ jego zapi-

skw.) W XVII wieku francuski fizyk

Guillaume Amontons ponownie okre-

æli¸ prawa rzdzce tarciem, badajc

przesuwanie si« wzgl«dem siebie

dwch suchych p¸askich powierzchni.

Wnioski Amontonsa przyczyni¸y si«

do sformu¸owania klasycznych praw rz-

dzcych tarciem. Pierwsze z nich mwi, ýe

si¸a tarcia, ktra przeciwdzia¸a przesuwa-

niu stykajcych si« ze sob powierzchni,

jest proporcjonalna do nacisku, czyli do

si¸y dociskajcej powierzchnie. Wed¸ug

drugiego prawa, ktre moýe wydawa

si« sprzeczne z intuicj, wielkoæ si¸y tar-

cia nie zaleýy od powierzchni styku. Na

ma¸y klocek przesuwajcy si« po po-

wierzchni dzia¸a taka sama si¸a tarcia jak

na duýy blok o tym samym ci«ýarze. Do

tych dwch praw niekiedy dodaje si« trze-

cie, przypisywane XVIII-wiecznemu fi-

zykowi francuskiemu CharlesÕowi Augu-

stinowi de Coulomb (bardziej znanemu

z odkry w elektrostatyce); zgodnie z nim

z chwil wprowadzenia cia¸a w ruch si¸a

tarcia nie zaleýy od pr«dkoæci. Bez wzgl«-

du na to, jak szybko przesuwamy klocek,

zawsze napotka on prawie ten sam opr.

Klasyczne prawa tarcia sformu¸owa-

ne przez Amontonsa i Coulomba okaza-

¸y si« znacznie trwalsze od rozmaitych

prb wyjaænienia zjawisk odwo¸ujcych

si« na przyk¸ad do chropowatoæci po-

wierzchni lub zjawiska przylegania mo-

lekularnego (czyli przycigania si« cz-

steczek trcych o siebie powierzchni).

Do po¸owy lat pi«dziesitych ca¸kowi-

cie odrzucono tez«, jakoby chropowatoæ

å WIAT N AUKI GrudzieÄ 1996 57

82374592.334.png

WCZESNE BADANIA NAD TARCIEM, na przyk¸ad prowadzone przez XVIII-wiecznego

fizyka francuskiego CharlesÕa Augustina de Coulomb, pomog¸y sformu¸owa klasyczne pra-

wa tarcia. Pochodzenie tej si¸y wizano z chropowatoæci powierzchni. Obecna wiedza

pozwala uzna t« cech« za ma¸o znaczce rd¸o tarcia.

eksperymentu pochodzenie tarcia zno-

wu sta¸o si« zagadk dla Tabora.

Za pomoc urzdzenia Israelachvilego

badano smarowane powierzchnie zetkni«-

cia dwch jednorodnych warstw miki.

Wykorzystano tu pewn waýn w¸asnoæ

miki, a mianowicie fakt, ýe jest ona g¸ad-

ka w skali atomowej. Oznacza to, ýe od¸u-

pujc kawa¸ek miki, uzyskujemy po-

wierzchni«, na ktrej znajduj si« pola

atomowo g¸adkie wielkoæci aý 1 cm 2 . Na

takiej powierzchni wyst«puj odcinki sk¸a-

dajce si« nawet z 10 mln atomw. (Dla

porwnania: typowa powierzchnia pozo-

staje g¸adka na odcinku 20 atomw, a w

przypadku g¸adkich metali rozciga si«

na 300 atomw.) Gdy zetkniemy dwie po-

wierzchnie mikowe, uzyskujemy styk bez

ýadnych atomowych do¸kw i grek.

W urzdzeniu pomiarowym prbki mi-

ki przyklejone s zwykle do skrzyýowa-

nych dwch p¸cylindrw, ktre mog

si« porusza w dwch kierunkach w p¸a-

szczynie poziomej. Aby zmierzy obsza-

ry przylegania i rozdzia¸u, fizycy prze-

puszczaj wizk« spjnego æwiat¸a przez

szczelin« i obserwuj zjawisko optyczne

zwane obrazem interferencyjnym, sk¸a-

dajcym si« z serii ciemnych i jasnych pa-

skw. Ugi«cie spr«ýyn do¸czonych do

p¸cylindrw wskazuje si¸« tarcia.

Dzi«ki urzdzeniu pomiarowemu od

razu uda¸o si« potwierdzi na poziomie

atomowym makroskopowe spostrzeýe-

nie, ýe tarcie jest proporcjonalne do rze-

czywistej powierzchni stykania si« cia¸.

Musia¸o jednak up¸yn blisko 20 lat, za-

nim Israelachvili Ð obecnie profesor Uni-

versity of California w Santa Barbara Ð

i jego koledzy ustalili trudny do uchwy-

cenia zwizek mi«dzy tarciem i przyle-

ganiem. Zaobserwowali oni, ýe nie ma

korelacji mi«dzy tarciem a sam si¸ przy-

legania. Tarcie zwizane jest raczej z ãnie-

odwracalnoæciÓ przylegania, czyli z rý-

nic w zachowaniu si« powierzchni, gdy

si« je dociska i gdy rozdziela. Mimo osi-

gni«cia niewtpliwego sukcesu badacze

nie potrafili wyranie wskaza mechani-

zmu fizycznego powodujcego powsta-

wanie mierzonego przez nich tarcia.

powierzchni powodowa¸a powstawanie

tarcia powszechnie obserwowanego w

ýyciu codziennym. O dziwo, okaza¸o si«

Ð co odkryli producenci samochodw

i nie tylko oni Ð ýe tarcie mi«dzy dwiema

powierzchniami jest mniejsze, jeæli jed-

na z nich jest bardziej chropowata niý

druga [patrz: Frederic Palmer, ãFrictionÓ;

Scientific American , luty 1951]. Co wi«cej,

tarcie moýe wzrosn, gdy obie po-

wierzchnie wyg¸adzimy. Na przyk¸ad

przy spawaniu na zimno bardzo wypo-

lerowane powierzchnie przylegaj do

siebie dosy mocno.

Teoria przylegania molekularnego na-

tomiast obroni¸a si« doæ skutecznie, i to

g¸wnie dzi«ki znakomitej pracy F. P.

Bowdena, Davida Tabora i ich wsp¸pra-

cownikw z University of Cambridge.

Naukowcy ci zauwaýyli rwnieý, ýe tar-

cie, cho zgodnie z wzorem Amontonsa

niezaleýne od obserwowanej makrosko-

powej powierzchni zetkni«cia, jest pro-

porcjonalne do rzeczywistej powierzch-

ni styku trcych o siebie cia¸. Oznacza to,

ýe mikronierwnoæci obu powierzchni

dotykaj si« i napieraj na siebie wzajem-

nie. Suma wszystkich punktw zetkni«cia

daje rzeczywist powierzchni« styku. Gdy

naukowcy z Cambridge ustalili jednak

pewien bliski zwizek tarcia z przylega-

niem, za¸oýyli, ýe tarcie zaleýy przede

wszystkim od si¸ przylegania w rzeczy-

wistych punktach styku, a si¸y te s tak

wielkie, ýe maleÄkie fragmenty materia-

¸u podlegaj ustawicznemu niszczeniu.

Jest to jednak wyt¸umaczenie b¸«dne.

Nie wyjaænia wyst«powania ca¸kiem du-

ýego tarcia takýe w przypadkach, gdy

zuýycie materia¸u jest pomijalnie ma¸e.

I rzeczywiæcie, Jacob N. Israelachvili Ð

wielce uzdolniony doktorant Tabora Ð

skonstruowa¸ ãaparat do si¸ powierzch-

niowychÓ mierzcy tarcie na poziomie

atomowym i udowodni¸ istnienie tarcia

bez zuýycia materia¸u. W wyniku tego

Odpowiednie drgania

James A. Greenwood z University of

Cambridge Ð æwiatowej s¸awy specjali-

sta w sprawach tarcia stykajcych si«

powierzchni chropowatych Ð w ten oto

sposb podsumowa¸ nasz wiedz«

w 1992 roku: ãGdyby ktoæ mdry wy-

jaæni¸ nam, dlaczego istnieje tarcie i dla-

czego jest proporcjonalne do rzeczywi-

stej powierzchni stykania si« warstw,

rozwiza¸by nasz problem.Ó

Osob t okaza si« moýe Gary M.

McClelland z IBM Almaden Research

58 å WIAT N AUKI GrudzieÄ 1996

82374592.345.png

Center. W latach osiemdziesitych opra-

cowa¸ on bardzo prosty model tarcia nie

powodujcego zuýycia materia¸u, opie-

rajc si« na drganiach krystalicznych sieci

atomowych. Model ten, o czym McClel-

land nie wiedzia¸, zosta¸ opublikowany

w 1929 roku przez G. A. Tomlinsona z

British National Physical Laboratory, a

udoskonalony w 1978 przez Jeffreya B.

Sokoloffa i jego wsp¸pracownikw z

Northeastern University. Wszystkie te

prace spotka¸y si« jednak z nik¸ym zain-

teresowaniem fizykw.

Tarcie pochodzce od drgaÄ sieci ato-

mowych powstaje wwczas, gdy atomy

jednej powierzchni s wprawiane w ruch

przesuwaniem si« atomw z powierzch-

ni przeciwleg¸ej. (Drgania, ktre w rze-

czywistoæci s falami dwi«kowymi, na-

zywamy fononami.) Tym sposobem cz«æ

energii mechanicznej potrzebnej do prze-

suwania jednej warstwy po drugiej zo-

staje zamieniona na energi« dwi«ku, kt-

ra w koÄcu przekszta¸ca si« w ciep¸o. Aby

podtrzyma ruch przesuwania, trzeba

dostarczy wi«cej energii mechanicznej,

czyli mocniej popycha.

Iloæ energii mechanicznej przekszta¸-

conej w fale dwi«kowe zaleýy od w¸a-

snoæci przesuwajcych si« materia¸w.

Cia¸a sta¸e zachowuj si« jak instrumenty

muzyczne, tzn. mog drga tylko przy

pewnych okreælonych cz«stoæciach. A za-

tem iloæ poch¸oni«tej energii mechanicz-

nej zaleýe b«dzie od cz«stoæci rezonan-

sowych. Gdy ãszarpiceÓ dzia¸anie ato-

mw z jednej warstwy jest w rezonansie

z ktræ z cz«stoæci drugiej warstwy, wte-

dy pojawi si« tarcie. Jeæli jednak nie rezo-

nuje z ýadn z cz«stoæci w¸asnych drugiej

powierzchni, fale dwi«kowe nie powsta-

j. Zaleýnoæ ta prowadzi do niezwykle

interesujcej sytuacji, kiedy dostatecznie

ma¸e cia¸a sta¸e, ktre maj stosunkowo

niewiele cz«stoæci rezonansowych, mog

przesuwa si« prawie bez tarcia.

McClelland zach«cony teoretyczn

moýliwoæci istnienia materia¸u, ktry

nie tylko si« nie zuýywa, ale nie ma pra-

wie tarcia ruchowego, nawiza¸ wsp¸-

prac« z C. Mathew MateÕem i innymi

naukowcami. Do mierzenia tarcia w

skali nanometrowej przystosowali oni

æwieýo skonstruowany przyrzd Ð mi-

kroskop badajcy si¸y atomowe. W

1987 roku opublikowali prac« o prze¸o-

mowym znaczeniu, w ktrej zawarli

swoje pierwsze obserwacje tarcia mi«-

dzy atomami zmierzonego nowym

instrumentem.

Mikroskop wyposaýony jest w cienkie

ostrze umocowane na koÄcu ruchome-

go ramienia. W czasie, gdy ostrze skanu-

je powierzchni« prbki, si¸y dzia¸ajce

na nie odchylaj rami«. Na podstawie

zjawisk elektrycznych i optycznych (jak

reaktancja pojemnoæciowa i interferen-

cja) szacuje si« wielkoæ poziomych

i pionowych odchyleÄ. Mikroskop mo-

ýe wykry bardzo ma¸e si¸y tarcia, przy-

legania i zewn«trznego nacisku rz«du

pikoniutonw (10 Ð12 N). (Mwic nie-

zbyt precyzyjnie, pikoniuton ma si« tak

do ci«ýaru muchy jak ci«ýar muchy do

ci«ýaru przeci«tnego cz¸owieka.) Na

pocztku lat dziewi«dziesitych na-

ukowcy z IBM umieæcili mikroskop

do badania si¸ tarcia w bardzo wysokiej

prýni, co pozwoli¸o im æledzi prze-

suwanie si« diamentowego ostrza po

æciance kryszta¸u diamentu przy po-

MIKROWAGA

Z KRYSZTAüEM KWARCOWYM

mierzy tarcie mi«dzy elektrod a warstw mate-

ria¸u gruboæci jednego lub dwch atomw na¸oýo-

n na elektrod«. Zmiany drgaÄ kwarcu wskazuj,

z jak si¸ tarcia na¸oýona warstwa przesuwa si«

po powierzchni pod¸oýa. Symulacje komputerowe

przemieszczajcych si« warstw, na przyk¸ad cie-

k¸ej warstwy kryptonu (bia¸y na zbliýeniu) po po-

wierzchni z¸ota (niebieski na zbliýeniu) , s¸uý do

potwierdzenia wynikw uzyskanych w doæwiad-

czeniach z mikrowag.

URZDZENIE DO MIERZENIA

SIü POWIERZCHNIOWYCH

wykorzystuje mik«, ktrej roz¸upane æcianki s

najg¸adszymi znanymi w przyrodzie powierzch-

niami. Mi«dzy dwie warstwy miki k¸adzie si« bar-

dzo cienk warstw« smaru gruboæci kilku czste-

czek, a nast«pnie przesuwa si« obie powierzchnie

wzgl«dem siebie, obserwujc wp¸yw smarowa-

nia na ruch (rysunki w ramkach) .

MIKROSKOP DO MIERZENIA

SIü POPRZECZNYCH

jest odmian mikroskopu do badania si¸ atomo-

wych. Sk¸ada si« z cienkiej ig¸y zamocowanej na

wsporniku. Czubek ig¸y odkszta¸ca si«, gdy prze-

suwamy go po powierzchni prbki. Odbijajce si«

od czubka æwiat¸o wskazuje stopieÄ odkszta¸ce-

nia, a tym samym mierzy wielkoæ tarcia mi«dzy

ostrzem a powierzchni. Naukowcy pos¸uýyli si«

mikroskopem przy przesuwaniu ãwysepekÓ w«-

gla 60 (zielone kryszta¸y na zbliýeniu) po po-

wierzchni soli.

SPR¢ûYNA

KWARC

ROZüUPANA MIKA

MI¢DZY DWOMA

PîüCYLINDRAMI

ELEKTRODA

åWIATüO

WSPORNIK

MIKA

PRîBKA

SMAR

IGüA

10 Ð2

10 Ð1

1

10 1

10 2

10 3

10 4

10 5

10 6

10 7

10 8

10 9

10 10

NAPR¢ûENIE åCINAJCE (N/m 2 )

NAPR¢ûENIE åCINAJCE Ð wielkoæ si¸y dzia¸ajcej na jednostk« rzeczywistej powierzchni styku potrzebnej do podtrzymania prze-

suwania si« jednego cia¸a po drugim Ð jest miar tarcia, ktre zbadano za pomoc kilku przyrzdw. Zarejestrowany zasi«g napr«ýeÄ w wa-

runkach, gdy nie wyst«puje zuýycie materia¸u, zniszczenie powierzchni i chropowatoæ, obejmuje 12 rz«dw wielkoæci.

å WIAT N AUKI GrudzieÄ 1996 59

82374592.356.png

82374592.001.png

82374592.012.png

82374592.023.png

82374592.034.png

82374592.045.png

82374592.056.png

82374592.067.png

82374592.078.png

82374592.089.png

82374592.100.png

82374592.111.png

82374592.122.png

82374592.133.png

82374592.144.png

82374592.155.png

82374592.166.png

82374592.177.png

82374592.188.png

82374592.199.png

82374592.210.png

82374592.221.png

82374592.232.png

82374592.243.png

82374592.254.png

82374592.265.png

82374592.276.png

82374592.287.png

82374592.297.png

82374592.301.png

82374592.302.png

82374592.303.png

82374592.304.png

82374592.305.png

82374592.306.png

82374592.307.png

82374592.308.png

82374592.309.png

82374592.310.png

82374592.311.png

82374592.312.png

82374592.313.png

82374592.314.png

82374592.315.png

82374592.316.png

82374592.317.png

82374592.318.png

82374592.319.png

82374592.320.png

82374592.321.png

82374592.322.png

82374592.324.png

82374592.325.png

82374592.326.png

82374592.327.png

82374592.328.png

82374592.329.png

82374592.330.png

82374592.331.png

82374592.332.png

82374592.333.png

82374592.335.png

82374592.336.png

82374592.337.png

82374592.338.png

82374592.339.png

82374592.340.png

82374592.341.png

82374592.342.png

82374592.343.png

82374592.344.png

82374592.346.png

82374592.347.png

82374592.348.png

82374592.349.png

82374592.350.png

82374592.351.png

82374592.352.png

82374592.353.png

82374592.354.png

82374592.355.png

82374592.357.png

82374592.358.png

82374592.359.png

82374592.360.png

82374592.361.png

82374592.362.png

82374592.363.png

82374592.364.png

82374592.365.png

82374592.366.png

82374592.002.png

82374592.003.png

82374592.004.png

82374592.005.png

82374592.006.png

82374592.007.png

82374592.008.png

82374592.009.png

82374592.010.png

82374592.011.png

82374592.013.png

82374592.014.png

82374592.015.png

82374592.016.png

82374592.017.png

82374592.018.png

82374592.019.png

82374592.020.png

82374592.021.png

82374592.022.png

82374592.024.png

82374592.025.png

82374592.026.png

82374592.027.png

82374592.028.png

82374592.029.png

82374592.030.png

82374592.031.png

82374592.032.png

82374592.033.png

82374592.035.png

82374592.036.png

82374592.037.png

82374592.038.png

82374592.039.png

82374592.040.png

82374592.041.png

82374592.042.png

82374592.043.png

82374592.044.png

82374592.046.png

82374592.047.png

82374592.048.png

82374592.049.png

82374592.050.png

82374592.051.png

82374592.052.png

82374592.053.png

82374592.054.png

82374592.055.png

82374592.057.png

82374592.058.png

82374592.059.png

82374592.060.png

82374592.061.png

82374592.062.png

82374592.063.png

82374592.064.png

82374592.065.png

82374592.066.png

82374592.068.png

82374592.069.png

82374592.070.png

82374592.071.png

82374592.072.png

82374592.073.png

82374592.074.png

82374592.075.png

82374592.076.png

82374592.077.png

82374592.079.png

82374592.080.png

82374592.081.png

82374592.082.png

82374592.083.png

82374592.084.png

82374592.085.png

82374592.086.png

82374592.087.png

82374592.088.png

82374592.090.png

82374592.091.png

82374592.092.png

82374592.093.png

82374592.094.png

82374592.095.png

82374592.096.png

82374592.097.png

82374592.098.png

82374592.099.png

82374592.101.png

82374592.102.png

82374592.103.png

82374592.104.png

82374592.105.png

82374592.106.png

82374592.107.png

82374592.108.png

82374592.109.png

82374592.110.png

82374592.112.png

82374592.113.png

82374592.114.png

82374592.115.png

82374592.116.png

82374592.117.png

82374592.118.png

82374592.119.png

82374592.120.png

82374592.121.png

82374592.123.png

82374592.124.png

82374592.125.png

82374592.126.png

82374592.127.png

82374592.128.png

82374592.129.png

82374592.130.png

82374592.131.png

82374592.132.png

82374592.134.png

82374592.135.png

82374592.136.png

82374592.137.png

82374592.138.png

82374592.139.png

82374592.140.png

82374592.141.png

82374592.142.png

82374592.143.png

82374592.145.png

82374592.146.png

82374592.147.png

82374592.148.png

82374592.149.png

82374592.150.png

82374592.151.png

82374592.152.png

82374592.153.png

82374592.154.png

82374592.156.png

82374592.157.png

82374592.158.png

82374592.159.png

82374592.160.png

82374592.161.png

82374592.162.png

82374592.163.png

82374592.164.png

82374592.165.png

82374592.167.png

82374592.168.png

82374592.169.png

82374592.170.png

82374592.171.png

82374592.172.png

82374592.173.png

82374592.174.png

82374592.175.png

82374592.176.png

82374592.178.png

82374592.179.png

82374592.180.png

82374592.181.png

82374592.182.png

82374592.183.png

82374592.184.png

82374592.185.png

82374592.186.png

82374592.187.png

82374592.189.png

82374592.190.png

82374592.191.png

82374592.192.png

82374592.193.png

82374592.194.png

82374592.195.png

82374592.196.png

82374592.197.png

82374592.198.png

82374592.200.png

82374592.201.png

82374592.202.png

82374592.203.png

82374592.204.png

82374592.205.png

82374592.206.png

82374592.207.png

82374592.208.png

82374592.209.png

82374592.211.png

82374592.212.png

82374592.213.png

82374592.214.png

82374592.215.png

82374592.216.png

82374592.217.png

82374592.218.png

82374592.219.png

82374592.220.png

82374592.222.png

82374592.223.png

82374592.224.png

82374592.225.png

82374592.226.png

82374592.227.png

82374592.228.png

82374592.229.png

82374592.230.png

82374592.231.png

82374592.233.png

82374592.234.png

82374592.235.png

82374592.236.png

82374592.237.png

82374592.238.png

82374592.239.png

82374592.240.png

82374592.241.png

82374592.242.png

82374592.244.png

82374592.245.png

82374592.246.png

82374592.247.png

82374592.248.png

82374592.249.png

82374592.250.png

82374592.251.png

82374592.252.png

82374592.253.png

82374592.255.png

82374592.256.png

82374592.257.png

82374592.258.png

82374592.259.png

82374592.260.png

82374592.261.png

82374592.262.png

82374592.263.png

82374592.264.png

82374592.266.png

82374592.267.png

82374592.268.png

82374592.269.png

82374592.270.png

82374592.271.png

82374592.272.png

82374592.273.png

82374592.274.png

82374592.275.png

82374592.277.png

82374592.278.png

82374592.279.png

82374592.280.png

82374592.281.png

82374592.282.png

82374592.283.png

82374592.284.png

82374592.285.png

82374592.286.png

82374592.288.png

82374592.289.png

82374592.290.png

82374592.291.png

82374592.292.png

82374592.293.png

82374592.294.png

82374592.295.png

82374592.296.png

wierzchni styku nie przekra-

czajcej 20 atomw.

McClelland wraz z kole-

gami zmierzy¸ si¸« tarcia,

ktra nie wykazywa¸a zaleý-

noæci od nacisku. Wedle kla-

sycznych praw si¸a tarcia w

takim przypadku powinna

rwna si« zeru. Jednakýe

nie tylko istnienie tarcia by¸o

widoczne, ale takýe ogromne

napr«ýenie æcinajce, tj. si¸a

na jednostk« powierzchni

niezb«dna do podtrzymania

przesuwania: 10 9 N/m 2 . Wy-

starcza ono do skruszenia

stali najwyýszej jakoæci. Na-

ukowcy nabierali pewnoæci,

ýe nawet pe¸na wiedza o

w¸asnoæciach atomowych

styku przesuwajcych si«

warstw nie pozwala im przewidzie, ja-

kie tarcie wystpi na ich styku.

Do dzisiaj zespo¸om nanotrybologw

uda¸o si« zaobserwowa napr«ýenia æci-

najce o niezwyk¸ym rozrzucie wielko-

æci: 10 Ð2 Ð10 10 N/m 2 . Na przyk¸ad Roland

Lthi, Ernst Meyer i wsp¸pracownicy

z Instytutu Fizyki w Bazylei przesu-

wali ãwysepkiÓ buckminsterfullerenu

(czsteczki w«gla z¸oýone z 60 atomw

przypominajce kszta¸tem pi¸k« futbo-

low) gruboæci jednej czsteczki po po-

wierzchni soli krystalicznej, pos¸ugujc

si« zmodyfikowanym ostrzem mikro-

skopu wielkoæci bliskiej jednemu ato-

mowi. Zmierzyli oni napr«ýenia æcina-

jce o wartoæciach od 10 4 Ð10 5 N/m 2 ,

czyli o ca¸e rz«dy wielkoæci mniejsze od

tych, ktre wyst«puj w typowych ma-

kroskopowych smarach sta¸ych, takich

jak proszek grafitowy. (Napr«ýenie æci-

najce wydaje si« duýe tylko dlatego, ýe

odniesione jest do metra kwadratowego

rzeczywistej powierzchni styku, ktra

2

DIAMENT

ETAN

zwykle jest o ca¸e rz«dy wielkoæci mniej-

sza od obserwowanej. W przypadku

grafitu uýytego na przyk¸ad do smaro-

wania b«benka zamka nawet obserwo-

wana powierzchnia styku jest ca¸kiem

ma¸a, a zatem wyst«pujce tarcie moýe

by zupe¸nie niewielkie.) Naukowcy

zmierzyli takýe si¸« potrzebn do prze-

suwania ostrza po wysepce czsteczek

C 60 i zauwaýyli, ýe jest ona bardziej

ãlepkaÓ niý sl.

Dzi«ki urzdzeniu zwanemu mikro-

wag z kryszta¸em kwarcu, od lat uýy-

wanemu do waýenia bardzo lekkich Ð

nanogramowych Ð prbek, takýe w mo-

im laboratorium zaobserwowaliæmy na-

pr«ýenia æcinajce niýsze o ca¸e rz«dy

wielkoæci. Mikrowaga zawiera pojedyn-

czy kryszta¸ kwarcu, ktry stabilnie

oscyluje z duý cz«stoæci (5Ð10 mln ra-

zy na sekund«). Cienkie jak folia meta-

lowe elektrody umieszcza si« na jego

powierzchniach, a nast«pnie na elektro-

dach osadza si« warstewki innego ma-

teria¸u gruboæci jednego atomu. Zbiera-

nie si« substancji na mikrowadze obniýa

cz«stoæ oscylacji, wskazujc tym sa-

mym, w jakim stopniu czsteczki z jed-

noatomowych warstw poddaj si« drga-

niom pod¸oýa kwarcowego. Im mniejsza

jest wypadkowa amplituda drgaÄ, tym

wi«ksze tarcie pochodzce z ocierania

si« warstewki o pod¸oýe.

Mikrowaga kwarcowa dzi«ki dosta-

tecznie krtkiej skali czasowej dzia¸ania

jest obecnie jedynym urzdzeniem po-

zwalajcym obserwowa zaleýnoæ tar-

cia od pr«dkoæci na poziomie atomo-

wym. Chociaý trzecie klasyczne prawo

tarcia mwi, ýe tarcie nie zaleýy od

pr«dkoæci, to prawdziwoæ tego stwier-

dzenia zosta¸a pniej podwaýona. (Juý

Coulomb podejrzewa¸, ýe zasada moýe

nie by prawdziwa, ale nie potrafi¸ te-

go dowieæ.) Na przyk¸ad, aby rwno-

miernie zmniejsza pr«dkoæ samocho-

du i zatrzyma go bez szarpni«cia, kie-

rowca musi w ostatniej chwili nieco

zwolni peda¸ hamulca. Oznacza to, ýe

tarcie roænie, gdy pr«dkoæ spada.

Tak makroskopow zaleýnoæ od

pr«dkoæci zwykle przypisuje si« mikro-

skopowym zmianom w punktach styku

p¸aszczyzn. (Przy duýych pr«dkoæciach

przesuwania punkty styku mog si« sto-

pi. Natomiast przy niskich pr«dkoæciach

punkty styku ãoddzieraj si«Ó wolniej,

wzrasta powierzchnia zetkni«cia i jest

wi«cej czasu, aby wytworzy silne wiza-

nie.) Jednakýe w przypadku geometrii,

przy ktrej powierzchnia styku si« nie

zmienia, jak w mikrowadze kwarcowej,

przewiduje si« ca¸kowicie inn zaleýnoæ

Ð wzrost si¸y tarcia wprost proporcjonal-

ny do pr«dkoæci przesuwania. Ostatnio

uda¸o si« nam to potwierdzi dla warstw

cia¸ sta¸ych gruboæci jednego atomu prze-

suwanych po powierzchniach krystalicz-

nego srebra i z¸ota.

ålisko na suchym

PUNKTY STYKU s to miejsca, w ktrych

wyst«puje tarcie mi«dzy dwiema przesuwa-

jcymi si« chropowatymi powierzchniami

(u gry) . Jeæli nacisk, tj. si¸a dociskajca obie

powierzchnie, roænie, wzrasta takýe ca¸kowi-

ta powierzchnia styku (na dole) . I w¸aænie

jej wzrost, a nie chropowatoæ powierzch-

ni, wp¸ywa na wielkoæ si¸y tarcia.

W teoretycznych analizach nie prze-

widziano jednak niezwykle zaskaku-

jcego zjawiska, ktre odkryliæmy w

1989 roku. Okaza¸o si«, ýe cienkie war-

stwy kryptonowe przesuwane po po-

wierzchniach ze z¸ota krystalicznego s

bardziej æliskie, gdy s suche. Zauwa-

ýyliæmy bowiem, ýe si¸y tarcia w przy-

padku b¸on ciek¸ych by¸y oko¸o pi«-

ciu razy wi«ksze niý b¸on sta¸ych. Na-

pr«ýenia æcinajce dla warstewek sta-

¸ych wynosi¸y zaledwie 0.5 N/m 2 przy

pr«dkoæci przesuwania rwnej 1 cm/s.

Wynik wydawa¸ mi si« tak bardzo

sprzeczny z intuicj, ýe przez rok nie

odwaýy¸am si« go opublikowa.

Dlaczego ciek¸a warstwa przyczynia

si« do zwi«kszenia tarcia na poziomie

60 å WIAT N AUKI GrudzieÄ 1996

1

82374592.298.png

82374592.299.png

82374592.300.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

199703_transgeniczne_zwierzeta.pdf (11148 KB)
199612_darwin_i_spolka_pogromcy.pdf (4506 KB)
199610_nowy_i_krol_i_jego_gierm.pdf (87 KB)
199611_jak_rozsiewa_si_rak.pdf (1830 KB)
199610_powietrzne_zabawki_delfi.pdf (339 KB)

Inne foldery tego chomika:

WZORY LISTÓW, ZAPROSZEŃ, ITP. - KRÓTKA I DŁUGA FORMA UŻYTKOWA

Zgłoś jeśli naruszono regulamin