Вибрации помогут носителям информации

Группа израильских физиков представила модель, согласно которой можно победить силу трения. Они рассмотрели движение одного атома по одномерной поверхности вроде той, которая имеется у графена. Трение значительно уменьшится, если при движении оба объекта будут колебаться с определенной частотой и амплитудой. Это пригодится для микроэлектроники.

Как мы знаем из школьного курса физики, сила трения — вещь неоднозначная С одной стороны, без нее на нашей планете было бы не так удобно существовать. Как сказал известный ученый Шарль Гийом, "вообразим, что трение может быть устранено совершенно, тогда никакое тело, будь оно величиной с каменную глыбу или мало, как песчинка, никогда не удержится одно на другом, все будет скользить и катиться, пока не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля была бы без неровностей, подобно жидкости".

Многое без этой чудесной силы было бы невозможным — например, ходьба или бег. Ведь мы можем делать шаг только потому, что именно за счет трения происходит сцепление подошвы с полом, в результате чего возможно оттолкнуться от поверхности, что обуславливает движение вперед. Благодаря трению покоя наши дома спокойно стоят на грунте, а одежда не сваливается с тела. Парашютист благополучно приземляется лишь потому, что во время полета парашют тормозит падение благодаря трению о воздух. Таких примеров можно привести множество, и все они свидетельствуют о том, что сила трения весьма важна для живых существ и человеческой цивилизации.

В то же время трение в ряде случаев может сильно осложнять человеку жизнь. Из-за того же трения о воздух автомобили и самолеты двигаются медленнее, чем могли бы, а это приводит к излишнему расходу топлива.

Трущиеся детали друг о друга запчасти механизмов быстрее изнашиваются, и это делает эксплуатацию любой машины более дорогой. Правда, на "макроуровне" люди научились с этим бороться — они используют смазочные материалы, уменьшающие силу трения. Однако в микроприборах этот способ чаще всего не работает.

В современном мире, благодаря бурному развитию микроэлектроники, проблема трения деталей их механизмов стала весьма актуальной. Простой пример — взаимоотношение жесткого диска компьютера и считывающей головки. Ее трение о поверхность диска при считывании информации может сопровождаться эффектом, называемым "прилипанием-проскальзыванием", и характерной вибрацией, что, конечно, плохо сказывается на службе диска.

Почему же возникает этот эффект? По идее его не должно быть, поскольку в типичном случае сила трения возникает как результат электромагнитного взаимодействия атомов двух соприкасающихся поверхностей, и когда они начинают двигаться друг относительно друга, то это движение (при отсутствии других влияющих на него факторов) должно быть близким к равномерному.

Но в том-то и дело, что данный принцип работает лишь на идеально ровных поверхностях. А таковых в природе и человеческом мире практически не бывает, особенно на микроскопическом уровне. Всегда найдется какой-нибудь холмик или впадинка. Поэтому в такой ситуации причиной трения является сопротивление сдвигу в местах неровностей. Поэтому-то движение становится неравномерным и считывающая головка, двигаясь скачкообразно, то удаляется от поверхности диска, то приближается к ней, нанося последней ощутимые удары.

Как вы понимаете, в данной ситуации никакая смазка не поможет, и, кроме того, она будет препятствовать считыванию информации. Однако ученые все-таки нашли способ справиться с данной проблемой. Исследованием трения на уровне отдельных атомов занялась группа израильского ученого российского происхождения Михаила Урбаха, которому пришла в голову идея о том, что трение значительно снизится, если взаимодействующие поверхности будут слабо колебаться друг относительно друга. Физики сразу же построили модель, в которой был представлен эффект скольжения одного атома (например, расположенного на острие "иглы" атомного силового микроскопа) вдоль одномерной поверхности вроде таковой у графена.

Ранее при помощи атомного силового микроскопа физики смогли выяснить, как возникает трение при взаимодействии атомов. Стало ясно, что при скольжении трущихся поверхностей их микронеровности соприкасаются, и в точках соприкосновения противостоящие друг другу частицы в силу того, что они заряжены, притягиваются друг к другу, то есть как бы "сцепляются". При дальнейшем движении тел друг относительно друга данные сцепки рвутся, в результате чего возникают колебания атомов, подобные тем, какие происходят при отпускании растянутой пружины.

Со временем эти колебания затухают, а их энергия превращается в тепло, растекающееся по обоим телам. Кроме того, в случае скольжения мягких тел возможно также разрушение микронеровностей, так называемое "пропахивание", в этом случае механическая энергия расходуется на разрушение межмолекулярных или межатомных связей.

Группе Урбаха удалось установить еще одну существенную деталь этого процесса. Они выяснили, что при обычных условиях как атомы поверхности, так и атом скользящей по ней "иглы" будут стремиться к расположению друг относительно друга с минимальной свободной энергией (здесь имеется в виду свободная энергия Гельмгольца, как мы помним, являющаяся мерой работы, которую может совершить термодинамическая система над внешними телами). Поэтому каждое смещение атома "иглы" будет требовать преодоления барьера, связанного с переводом всей системы в энергетически нестабильное состояние. Не удивительно, что данное явление, в конце концов, должно привести к трению.

Урбах и его коллеги рассчитали, что если атомы "иглы" и одномерной поверхности, двигаясь относительно друг друга, будут еще при этом колебаться с определенной частотой, то система с самого начала будет постоянно находиться в энергетически нестабильном состоянии и, следовательно, сможет легко преодолеть саму причину возникновения силы трения. Правда, полностью ее победить не удастся (да это, собственно говоря, и не нужно), однако эффект "прилипания-проскальзывания" сменится равномерным скольжением, которое не сможет повредить ни "игле", ни самой поверхности.

Кроме того, физики также изучили и количественный эффект, который производят на систему вибрации с разной частотой и амплитудой. Интересно, что они обнаружили несколько интересных сочетаний этих двух параметров, при которых трение практически полностью "выключается". И наконец ими было установлено, что при некоторых условиях само движение атома "иглы" может управляться и направляться этими вибрациями. То есть, атом в данной ситуации ведет себя, как спортсмен-серфер, перемещающийся на доске, используя вибрации, создаваемые как морской волной, так и своим телом.

Теперь, когда модель построена, дело осталось за малым — придумать устройство, которое могло бы обеспечивать колебания с заданными параметрами как головки, так и поверхности жесткого диска. А когда оно будет создано, тогда о возможности травмирования носителей информации считывающим устройством пользователи компьютеров смогут забыть навсегда…

Антон Евсеев