الهيدروجين الثقيل يقلل من الاحتكاك

الاهتزاز الذري الخاص باعتباره العامل الرئيسي للاحتكاك غير المقنع

نظام ترسيب البخار لطلاء الهيدروجين © مختبر أرجون الوطني
قراءة بصوت عال

ماذا يحدث مع الاحتكاك على المستوى الذري؟ لقد اقترب العلماء الآن من الإجابة على هذا السؤال. اكتشفوا أن ذرات الهيدروجين تلعب دورا حاسما في هذه العملية. الدراسة ، التي نشرت الآن في مجلة Science ، يمكن أن تساعد في تطوير أسطح وطلاءات جديدة.

حتى الآن ، يفتقر العلم إلى نموذج شامل للعمليات التي تنطوي على الاحتكاك على مقياس نانومتر. على الرغم من وجود فكرة تقريبية عن القوى المعنية ، بما في ذلك التفاعلات الكيميائية المحلية ، وتفاعلات الشحنات وشكل معين من صدى الاهتزاز ، إلا أنه لم يتم بعد معرفة المزيد من التفاصيل.

الآن ، عالجت مجموعة من الباحثين بقيادة روبرت كاربك من جامعة بنسلفانيا ، بمشاركة مختبر أرجون الوطني ، هذه المسألة. استخدم أنيرودا سومانت وزملاؤه في أرجون أسطحًا أحادية البلورة من الماس مطلية إما بالهيدروجين العادي أو بالديوتريوم ، وهي ذرة هيدروجين مع نيوترون إضافي في النواة.

مشكلة طلاء الهيدروجين حلها

من أجل استبعاد حدوث بالفعل عوامل الطلاء المسببة للتداخل ، قام العلماء أولاً بتطوير طريقة جديدة تمامًا لهذا الغرض. حتى الآن ، تم تحقيق الطلاء بالهيدروجين عن طريق قصف السطح بالأيونات. هذا ، ومع ذلك ، جلب معه خطر خشونة السطح. "عندما تدرس مثل هذا التأثير النظري الصغير ، يجب أن تكون على يقين تام من عدم وجود تأثيرات معقدة أخرى من التداخل الكيميائي أو الإلكتروني أو الاختلافات الطبوغرافية الصغيرة" ، يوضح سومانت.

لفترة طويلة بحث العلماء عبثا عن طرق لطيفة. ولكن بعد ذلك توصلوا إلى فكرة: كانت سومانت قد عملت سابقًا في عملية لإنتاج أفلام الأغشية الرقيقة الماسية في سياق مختلف. في ما يسمى "ترسيب البخار الكيميائي للخيوط الساخنة" ، من بين أشياء أخرى ، يتم تسخين خيوط التنغستن إلى أكثر من 2000 درجة مئوية. عرض

عدل سومانت الآن طريقة وضع فيلم ماسي على بعد أقل من سنتيمتر واحد من خيوط التنغستن ثم إجراء الهيدروجين الجزيئي فوقه. تسببت الحرارة في تحطم بعض جزيئات الهيدروجين إلى ذرات تفاعلت مع سطح الماس واستقرت عليها كطبقة ناعمة ومثالية. نظرًا لأنه ليس من الضروري حدوث قصف بالأيونات أو الجسيمات الأخرى في هذه الحالة ، فلا يمكن أن تنشأ أي مطبات أو خشونة.

تردد الاهتزاز حاسما

وبالتالي تم اتخاذ العقبة الأكثر أهمية لتجربة الاحتكاك. الآن أنتج العلماء طبقة تحتوي على ذرات الهيدروجين الطبيعية من جهة ، ومن ناحية أخرى ، توجد ذرة ديوتيريوم. ثم تم فرك كل من المتغيرات بعناية ضد طرف المغلفة بالكربون.

لقد أظهر أن سطح الديوتيريوم كان به احتكاك أقل بكثير - على الرغم من أن كلا الحالتين يتعلقان بالهيدروجين ، أي أن الخصائص الكيميائية كانت متطابقة تقريبًا. ولكن لا يزال هناك عامل واحد مختلف: الاهتزاز الطبيعي للديوتيريوم. وقع هذا الاهتزاز الصغير بتردد منخفض مع الهيدروجين الثقيل ، ويبدو أن هذا الاختلاف كان كافياً للتأثير بشكل كبير على الاحتكاك.

وفقًا للعلماء ، فإن هذه النتيجة وأيضًا الطريقة الجديدة للطلاء اللين يمكن أن تسهم في المعالجة المستهدفة للخصائص الاحتكاكية لمكونات النانو التكنولوجية في المستقبل. على وجه الخصوص ، يمكن تطوير الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية (MEMS) والتي تعتمد على مكونات الألماس.

(مختبر أرجون الوطني ، 05.11.2007 - NPO)