Поиск - новости науки и техники

Нужные шероховатости. Созданные наноструктурами неровности улучшают даже скольжение.

Известно, что скольжению одного тела по другому мешает сила трения. Выходит, если поверхности этих тел будут абсолютно гладкими, то скольжение станет идеально легким и не требующим дополнительных усилий. Увы, это не совсем так. Конечно, шероховатости соприкасающихся сторон тел мешают скольжению, но все зависит от того, что это за шероховатости и как они расположены. Если использовать особым образом ориентированные наноструктуры, то можно добиться поистине удивительных “скользких” результатов. Особенности таких структур изучает старший научный сотрудник Научного центра волновых исследований Института общей физики им. А.М.Прохорова РАН Екатерина БАРМИНА. Ее проект, посвященный исследованиям физико-химических свойств наноструктур, получаемых с помощью лазерной абляции твердых тел, поддержан грантом Президента РФ. Наш корреспондент взял интервью у молодого ученого.

– Сначала об особенностях исследуемых наноструктур как класса, – говорит Екатерина Владимировна. – Главное следствие их образования на поверхностях твердых тел – изменение физико-химических свойств материала. Другими словами, массивный образец после формирования на нем наноструктур приобретает качественно новые характеристики. Например, такие структуры на поверхности золота изменяют его цвет – с желтого на красный. Объясню почему. В массивных материалах свободные электроны легко движутся по всему объему подложки. А в наноструктурах они “чувствуют” их стенки и не могут перемещаться далеко из-за ограниченного, маленького объема. Такое обстоятельство создает новую частоту колебаний, отличную от частоты в массивной подложке. В результате изменяется цвет материала. Другая особенность наноструктур – их способность усиливать внешнее поле. Это так называемый эффект громоотвода. Наноструктуры с малым радиусом кривизны служат эффективными эмиттерами (источниками поля), электрическое поле вблизи них намного сильнее по сравнению с начальной плоской поверхностью.
Есть эффект лотоса: при попадании капли воды на растение она не растекается. Это объясняется тем, что поверхность цветка состоит из упорядоченных структур, которые не позволяют воде смачивать поверхность.
Я привела далеко не все особенности наноструктур, их гораздо больше. Лишь сфокусировала внимание на тех свойствах, с которыми мне приходится иметь дело в своей работе.
– Какие направления вы избрали для своих исследований?
– Чтобы было понятно, надо сказать, что при взаимодействии лазерного излучения и твердого тела возникают различные типы структур. Например, упорядоченные микроструктуры или поверхностно-периодические структуры. Последние выглядят так же, как песок в пустыне. Мое направление в этой области – лазерная генерация самоорганизующихся наноструктур. Их размер не зависит от длины волны и диаметра пятна лазерного излучения. Впервые эти наноструктуры были получены в 2006 году двумя научными группами независимо друг от друга: в лаборатории макрокинетики неравновесных процессов нашего научного центра волновых исследований ИОФ РАН и в Рочестерском университете. Я исследовала морфологию и основные физико-химические свойства таких структур. Однако до сих пор теоретического описания формирования самоорганизующихся наноструктур при лазерном облучении твердых тел нет. Есть лишь качественная модель их образования. Полное, всестороннее, комплексное, экспериментальное исследование зависимости физико-химических свойств наноструктур от лазерных параметров позволит найти способ вычисления для теоретического описания, а также предложить технологии лазерного структурирования твердых тел для промышленности.
Перейду к механизму формирования наноструктур. Когда короткий лазерный импульс воздействует на твердое тело, возникает тонкий слой расплава на его поверхности. Под действием окружающих паров самого образца или окружающей жидкости происходит выдавливание расплава в виде наноструктур. Наглядно это можно представить так. Когда камень падает в воду, появляются брызги – разлетающиеся капли жидкости. В нашем случае камень – это лазерное излучение, а капли – наноструктуры. Только эти капли остаются на поверхности тела. Наноструктуры образца чем-то напоминают грибную поляну после дождя.
Теперь о свойствах. В ходе исследований я получила много данных о них. Например, наноструктуры никеля, покрытые тонким слоем золота, усиливают внешнее приложенное поле в 100 миллионов раз. Я это обнаружила при усилении сигнала гигантского комбинационного рассеяния. Выявленное свойство использовали при создании сенсоров для мониторинга окружающей среды.
Наноструктуры позволяют заметно сократить время восстановления после установки импланта человеку. Биологические клетки организма охотно цепляются за наноструктуры, тем самым увеличивая скорость роста ткани. Можно сказать, что наноструктуры – маленькие полезные неровности.
– Что вы делаете в рамках проекта, поддержанного грантом?
– В рамках этого проекта мы изучаем термоэмиссионные и трибологические свойства наноструктур. Поясню, что это такое. Термоэмиссия электронов с поверхности металла происходит путем туннелирования электронов вблизи поверхности через потенциальный барьер. Если приложить внешний электрический потенциал к наноструктурированной поверхности, то наноструктуры с маленьким радиусом кривизны могут выступать в качестве эффективных эмиттеров (источников) электронов, так как электрическое поле вблизи таких структур выше из-за эффекта громоотвода. Другими словами, потенциальный барьер оказывается ниже, и электронам легче выходить из металла.
Мы уже получили первые результаты. Оказывается, если на катод нанести массив наноструктур, то он будет испускать больше электронов, что позволит снизить его рабочую температуру и продлить срок службы оборудования. Отмечу, что на явлении термоэлектронной эмиссии основана работа многих вакуумных электронных приборов и термоэмиссионных преобразователей энергии.
Теперь обратимся к трибологии. Это раздел науки, который занимается вопросами трения, изнашивания твердых тел, смачиваемости поверхностей. Для наглядности: при ходьбе благодаря наличию шероховатостей и в итоге достаточно большой силы трения происходит сцепление подошвы с полом. В результате удается отталкиваться от пола и двигаться вперед. Но если дело касается оборудования, то здесь большая сила трения между поверхностями деталей и узлов приводит к их быстрому износу и поломкам. С этим надо бороться. Сейчас мы работаем над созданием контролируемых шероховатостей для уменьшения коэффициента трения. Это должны быть наноструктуры определенной высоты и размера. Я и мои коллеги, которые участвуют в проекте, обнаружили, что наличие наноструктур на металле снижает его коэффициент трения на 15-20%. Объясню, почему так происходит. Принуждая одно тело скользить по другому, мы ломаем малые неоднородности одного тела, которые цепляются за неоднородности поверхности другого, также ломая их. Так и создается сила трения. Если сделать эти неоднородности упорядоченными и нужного размера, то процесс взаимодействия двух тел будет протекать уже по-другому. Эти шероховатости станут разрушаться в заданном направлении.
Кроме того, при лазерном облучении детали происходит ее термоупрочнение. Это значит, увеличивается твердость изделия, что также способствует уменьшению коэффициента трения. Еще один фактор – смачиваемость поверхности. Когда есть наноструктуры, поверхность тела может стать гидрофобной. Если поверхность гидрофобна, то вода не смачивает ее. Капли жидкости в этом случае оседают на наноостриях. И скольжение происходит при движении воды о воду. Это, безусловно, снижает коэффициент трения.
Как видите, трибологические свойства наноструктур сильно отличаются от свойств исходной поверхности. Детали, используемые в машиностроении и автопромышленности, смогут служить намного дольше, если на них нанести такие наноструктуры. Сейчас мы работаем над созданием различной морфологии этих структур – для оптимизации и достижения эффективных характеристик наноструктурированных металлов.
В принципе, получать наноструктуры можно не только с помощью лазерных технологий. Достичь этого удается и другими путями, применяя химические методы, литографию, ионное травление. Но лазерное облучение мишеней позволяет наносить химически чистые наноструктуры без использования дорогостоящего оборудования и вакуума, при разумном времени обработки.

Фирюза ЯНЧИЛИНА
Иллюстрации предоставлены Е.Барминой

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2