Физики добились нулевого трения в двумерных системах в эксперименте

Физики из Германии и Италии впервые экспериментально наблюдали в двумерных системах фазовый переход в сверхскользкое состояние, при котором движение двух кристаллов друг относительно друга происходит без трения. Модельная система, состоящая из плоского коллоидного кристалла, который перемещается по двумерной оптической решетке, подтвердила теоретические оценки, сделанные более 35 лет назад, пишут ученые в Physical Review X.

Разработка твердых поверхностей, которые могут на атомарном уровне двигаться друг относительно друга практически без трения, сильно повышает эффективность микромеханических систем и наноустройств. Теоретически показано, что при определенных условиях некоторые материалы и вовсе могут переходить в сверхскользкое (superlubric) состояние, при которых трение пропадает полностью. Такой переход был предсказан еще в начале 80-х годов XX века Сержем Обри и наблюдать его можно при снижении механической нагрузки.

На атомарном уровне движение без трения похоже на движение шестеренок друг относительно друга и происходит в случае правильного соотношения периодов двух кристаллических систем. Тогда часть атомов первого материала оказывается в энергетических минимумах поля другого, а часть, наоборот, в максимумах. При скольжении атомы меняются ролями, так что при этом не происходит диссипации энергии. Экспериментально этот эффект уже был подтвержден для одномерных систем на модельной системе, в которой один из кристаллов заменялся двумя интерферирующими лучами лазера.

Группа немецких и итальянских физиков под руководством Клеменса Бехингера (Clemens Bechinger) из Штутгартского университета экспериментально показала, что переход в сверхскользкое состояние возможен и в двумерных коллоидных системах при комнатной температуре. Для этого, как и в случае одномерной системы, с помощью системы из лазеров (только не двух, а трех) была создана гексагональная оптическая решетка, в которой максимумы и минимумы интерференции периодически сменяют друг друга, но не на линии, а на плоскости. Относительно этой решетки ученые перемещали двумерный коллоидный кристалл, состоящий из полистирольных микрошариков. Для моделирования различной механической нагрузки авторы работы изменяли глубину потенциала оптической решетки.

Определив траектории частиц при различной амплитуде периодического потенциала и измерив необходимую для смещения частиц силу, ученые обнаружили, что при определенной величине поля действительно происходит переход из закрепленного состояния в сверхскользкое. В таком режиме сила, которая оказалась необходима для перемещения коллоидного кристалла оказалась минимально измеримой и составила около 1 фемтоньютона.

При этом авторы работы отмечают, что, в отличие от одномерного случая, движение двумерного коллоидного кристалла относительно оптической решетки приводит к рассогласованию двух систем, что особенно важно с точки зрения возникающего трения. Эффект рассогласования приводит к тому, что вблизи критической нагрузки в такой двумерной системе происходит фазовое расслоение и часть шариков оказываются в согласованном с оптической решеткой состоянии, а часть — нет (то есть часть кристалла уже находится в сверхскользком режиме, а часть — все еще закреплена на решетке). Таким образом, переход в сверхскользкое состояние при снижении механической нагрузки происходит не моментально, а растягивается во времени.

Чтобы более точно описать механизм такого расширенного перехода, полученные экспериментальные данные ученые дополнительно описали с помощью компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Физики обнаружили, что рассогласование в области перехода приводит к тому, что структура коллоидного кристалла оказывается немного искажена, а часть шариков — немного смещена и повернута относительно равновесного состояния. При этом в сверхскользком состоянии размер отдельных доменов растет, а при увеличении механической нагрузки (или амплитуда потенциала в модельном эксперименте) — наоборот уменьшается, так что при этом увеличивается упорядоченность системы.

Авторы работы отмечают, что полученные ими результаты — первая экспериментальная проверка теории фазового перехода Обри в сверхскользкое состояние для двумерных систем. Поскольку образование такого состояния возможно для некоторых типов двумерных кристаллов, в частности для графена, то в будущем эти данные можно будет использовать для разработки двумерных молекулярных машин, работающих, в том числе, и при комнатной температуре.

Отметим, что двумерные коллоидные кристаллы могут не только служить в качестве модели для двумерных материалов с уникальными физическими свойствами, но и сами обладают примечательными оптическими характеристиками. Отдельный интерес представляет процесс образования такого кристалла. Например, самосборка такого кристалла может происходить даже из коллоидного раствора с частицами различного размера при их достаточной концентрации. При этом для управления степенью упорядоченности двумерного коллоидного кристалла ученые предлагают использовать, например, электростатическое или магнитное поля.

Александр Дубов