Трение - это повседневное явление; оно позволяет водителям останавливать свои автомобили, разбивая их, а танцорам выполнять сложные движения на различных поверхностях пола. Однако это также может быть нежелательным эффектом, приводящим к растрате большого количества энергии в промышленных процессах, транспортном секторе и в других местах. Трибологи - те, кто изучает науку о взаимодействующих поверхностях в относительном движении, - подсчитали, что четверть глобальных потерь энергии происходит из-за трения и износа.

В то время как трение чрезвычайно широко распространено и актуально в технологии, фундаментальные законы трения все еще неясны, и только недавно ученые смогли использовать достижения в области нанотехнологий, чтобы понять, например, микроскопическое происхождение закона да Винчи, который гласит, что силы трения пропорциональны приложенной нагрузке.

Теперь Риедо и ее аспирант из Нью-Йоркского университета Тандон Мартин Рейхон нашли новый метод измерения межфазного сдвига между двумя атомными слоями и обнаружили, что эта величина обратно пропорциональна трению, следуя новому закону.

Эта работа, проведенная в сотрудничестве с аспирантом Нью-Йоркского университета Тандон Франческо Лавини и коллегами из Международной школы перспективных исследований, Международного центра теоретической физики в Триесте, Италия, а также Карлова университета в Праге, может привести к более эффективным производственным процессам, более экологичным транспортным средствам и в целом к более устойчивому миру.

"Взаимодействие между одним атомным слоем материала и его подложкой определяет его электронные, механические и химические свойства, - объясняет Риедо, - поэтому понимание этой темы важно как на фундаментальном, так и на технологическом уровнях для поиска способов уменьшить потери энергии, вызванные трением".

Исследователи изучили объемные графитовые и эпитаксиальные графеновые пленки, выращенные с различными порядками укладки и скручивания, измеряя труднодоступный межфазный модуль поперечного сдвига атомного слоя на подложке. Они обнаружили, что модуль упругости (мера способности материала противостоять деформациям сдвига и оставаться жестким) в значительной степени определяется порядком укладки и взаимодействием атомарного слоя с подложкой, и продемонстрировали его важность для контроля и прогнозирования трения скольжения в двумерных материалах на подложке. Их эксперименты показали общую обратную зависимость между силой трения на единицу площади контакта и модулем межфазного сдвига для всех исследованных ими графитовых структур.

Их статья 2022 года "Взаимосвязь между межфазным сдвигом и силой трения в двумерных материалах" была опубликована онлайн в Природные нанотехнологии и финансировался Научным управлением Министерства энергетики США и Исследовательским управлением армии США.

"Наши результаты могут быть обобщены и на другие 2D-материалы", - утверждает Риедо, возглавляющий лабораторию PicoForce в Нью-Йоркском университете Тандон. "Это представляет собой способ управления атомным трением скольжения и другими межфазными явлениями и имеет потенциальное применение в миниатюрных движущихся устройствах, транспортной отрасли и других областях".

"Работа Элизы - отличный пример приверженности Нью-Йоркского университета Тандон более устойчивому будущему, - говорит декан Елена Ковачевич, - и свидетельство исследований, проводимых в рамках нашей недавно запущенной инициативы по устойчивому инжинирингу, которая направлена на борьбу с изменением климата и загрязнением окружающей среды с помощью четырехстороннего подхода, который мы называем АМРАд, для предотвращения, смягчения последствий, восстановления и адаптации".