بينما يحرص الكثير منا على تجنب الانزلاق في الطقس البارد، يبحث العلماء في جامعة ليستر عن طرق لجعل الطرق أكثر انزلاقًا! لقد قاموا بحل مشكلة صعبة في مبدأ التشحيم الفائق - في حالة التشحيم الفائق، يكون الاحتكاك بين سطحين ينزلقان ضد بعضهما البعض صغيرًا جدًا أو حتى يختفي تقريبًا. وقد نشروا استنتاجاتهم في مجلة Physical Review Letters.
تعرف على التشحيم الفائق
ترتبط التشحيم الفائق بالأسطح الملساء جزيئيًا مثل الجرافين، وقد تمت ملاحظتها حتى الآن فقط في البيئات المختبرية، حيث يتم تصنيع هذه الأسطح على نطاق النانو والميكرون. يتمتع التشحيم الفائق بالقدرة على تقليل الاحتكاك بمقدار 1000 إلى 10000 مرة مقارنة بالاحتكاك التقليدي في الآلات والأجهزة الميكانيكية.
سيعرف معظم الناس بشكل حدسي أن الاحتكاك (مقاومة الجسم للانزلاق) لجسم ثقيل أكبر من احتكاك جسم خفيف. وهذا أيضًا هو قانون أمونتون-كولوم للاحتكاك الذي تم اقتراحه منذ أكثر من 300 عام.
ومع ذلك، هذا لا ينطبق على التشحيم الفائق. وهذه الظاهرة أصغر بعشرات الآلاف من المرات من الاحتكاك التقليدي، ولا يعتمد الاحتكاك على وزن الجسم. بمعنى آخر، زيادة وزن الجسم من بضعة جرامات إلى عشرات الكيلوجرامات لا يغير مقدار قوة الاحتكاك.
اكتشافات جديدة حول الاحتكاك
لكن فريقًا دوليًا من العلماء، بقيادة البروفيسور نيكولاي بريليانتوف من جامعة ليستر، اكتشف الآن أن التقلبات "المتزامنة" على سطح الجسم ناتجة عن اهتزازات عشوائية لذرات السطح، مما يؤدي إلى الاحتكاك. ويوجد هذا الاهتزاز عند أي درجة حرارة غير الصفر، وتضعف شدته مع انخفاض درجة الحرارة. وهذا يعني أنه من خلال خفض درجة حرارة السطح، يمكن تقليل آثار الاحتكاك بشكل أكبر.
قال البروفيسور بريليانتوف، من كلية ليستر للحوسبة والعلوم الرياضية: "هذا الاختلاف الكبير عن الاحتكاك العادي أمر مثير للفضول ويحتاج إلى شرح. هناك سمات أخرى مثيرة للدهشة للتشحيم الزائد، مثل الاعتماد غير المعتاد للاحتكاك على سرعة الانزلاق ودرجة الحرارة ومنطقة الاتصال. كل هذه التبعيات تتعارض مع تلك التي تنبأ بها قانون أمونتون-كولوم التقليدي. سيساعد تفسير السلوك الغامض للتشحيم الفائق في التحكم في الاحتكاك المنخفض للغاية، مما يفتح آفاقًا مذهلة لتطبيقاتها الصناعية."
طرق البحث ونتائجه
لدراسة مبادئ التشحيم الفائق، قاموا بإنشاء اتصال بين سطحين أملس جزيئيًا - طرف ينزلق على ركيزة، وكلا السطحين مغطى بطبقة من الجرافين - وقياس الاحتكاك باستخدام مجهر القوة الجانبية. كما قاموا بإجراء تجارب عددية واسعة النطاق "في السيليكون" باستخدام محاكاة الديناميكيات الجزيئية لإنشاء نموذج واقعي للغاية للظاهرة الحقيقية.
يجب أن يكون السطحان غير متناسبين، مما يعني أن "التلال" المحتملة في البنية الجزيئية لسطح واحد لا ينبغي أن تتطابق مع "الآبار" المحتملة للسطح الآخر. السطحان يشبهان كرتونتي بيض تم تجميعهما معًا: إذا تم دمجهما معًا، فإنهما ينغلقان، مما يتطلب المزيد من القوة للتسبب في الانزلاق.
إذا كانت درجة حرارة السطح غير الصفر، سيحدث الاحتكاك بسبب التموجات السطحية الناتجة عن التقلبات الحرارية. أثبت العلماء أن الاحتكاك يحدث بسبب التقلبات الحرارية "المتزامنة"، حيث ينثني سطحان في نفس الوقت ويظلان على اتصال وثيق. كلما ارتفعت درجة حرارة السطح، زاد سعة التقلبات المتزامنة؛ كلما زادت مساحة التلامس، زاد عدد التقلبات السطحية التي تعيق الحركة النسبية.
التأثير على المستقبل
وأضاف البروفيسور بريليانتوف: "لقد تمكنا من شرح الآلية الذرية للظاهرة الغامضة المتمثلة في أن الاحتكاك مستقل عن وزن الجسم، وصياغة قوانين احتكاك جديدة للتشحيم الفائق. وهذه القوانين، على الرغم من تناقضها الصارخ مع قانون أمونتون كولومب، تصف هذه الظاهرة بشكل جيد للغاية. وبمجرد إنتاج طبقة سطحية ناعمة من الجزيئات على مقياس المليمتر أو السنتيمتر، سيتم تغطية جميع الاتصالات المتحركة والدورانية والمتذبذبة في الآلات والآليات بهذا السطح طبقة. سيؤدي هذا إلى تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير على المستوى العالمي. ومن أجل تقليل استهلاك الطاقة بشكل أكبر، سيتم إبقاء أكبر جهات الاتصال باردة.
المصدر المجمع: ScitechDaily