Динамическое сверхскольжение в наносистемах

Представьте мир без износа от трения. Не надо менять шины на автомобилях, подошвы на ботинках, нет болезней суставов...
С другой стороны, ничего нельзя отполировать - ни пол, ни серебряный сервиз, ни тот же автомобиль.

Конечно такого «нетрадиционного» мира нигде нет, но это то к чему стремятся некоторые исследователи, по крайней мере, на наноуровне. Ученые из IBM в очередной раз удивили мир работой, достойной Лесковского Левши.

Совсем недавно они смогли рассмотреть каркас молекулы на атомно-силовом микроскопе (АСМ):

• Методы исследования молекул постоянно совершенствуются. Например, с помощью электронных микроскопов можно рассмотреть атомы в кристаллической решетке и длинные молекулы, такие как ДНК, на ровных поверхностях.
  Недавно ученые из швейцарского подразделения IBM смогли увидеть отдельные атомы небольшой органической молекулы - пентацена. Для этого они использовали атомно-силовой микроскоп. Его «глаз» — это металлическая игла с шириной острия вплоть до одного атома. В процессе работы микроскопа игла обегает всю поверхность образца. В каждой точке поверхности силы взаимодействия иглы и образца различаются. На этом различии в микроскопе и создается изображение.
  В качестве образца ученые выбрали молекулу пентацена, которая состоит из 22 атомов углерода и 14 атомов водорода. В изображении, которое получили ученые, отчетливо видны узоры: пять шестиугольников, образованных атомами углерода.
  Важными компонентами успеха стали острота иглы и высокая стабильность системы. Для ее достижения исследование проводили в экстремальных условиях высокого вакуума и низких температур - около 3 К (-268 оС).
  Чтобы разглядеть пентацен с помощью атомно-силовой микроскопии, требуется работать на очень малых к нему расстояниях - меньше нанометра, а также предупредить избыточное притяжение между пентаценом и иглой и последующее их слипание. Это достаточно сложно, но ученым удалось увеличить чувствительность иглы, а также подобрать молекулу, которая будучи помещена на ее остриё, эффективно отталкивается от пентацена - такой молекулой является CO (угарный газ).
  
  Исследование швейцарских ученых - это, в том числе, наглядная иллюстрация одной из ключевых закономерностей квантовой механики - принципа запрета Паули. Он запрещает двум электронам с одинаковыми энергиями находиться вблизи друг друга. У угарного газа и пентацена есть такие электроны. Их нельзя сблизить, соответственно и обе молекулы отталкиваются друг от друга, не слипаются, что в итоге позволяет получить четкое изображение.

На этот раз предмет исследований ученых из IBM - ячейки для хранения информации. Расчеты предсказывают, что невероятно высокой плотности данных можно достичь, если их хранить в мельчайших отверстиях, проделанных с помощью атомно-силового микроскопа в тонкой полимерной пленке. Плотность данных может достигать 150 гигабит на 1 сантиметр квадратный. В обратной процедуре, когда данные надо прочесть, также можно воспользоваться зондом такого микроскопа, скорость считывания при этом - несколько мегабайт в секунду.

Зонд АСМ - глаз микроскопа, а иногда он может стать и «рукой», как в случае исследования ученых из IBM.

Важно, чтобы зонд оставался все время тонким, не стирался, чего обычно не бывает. Однако ученые из IBM сумели снизить его износ от трения. Им удалось протащить зонд по поверхности полимера на несколько сот метров, при этом, не повредив ни его иглу, ни полимер. Для наглядности: «путешествие» по соотношению пройденного пути и толщины иглы подобно тому, как если бы кто-то вскарабкался на лестницу высотой несколько десятков миллионов километров, при этом не сносив обуви.

Ученые оценили, что степень износа материала в их эксперименте на семь порядков меньше, чем при трении друг о друга смазанных маслом стальных деталей.

Любопытен способ, которым они достигли своего результата. Некоторое время назад исследователи из Университета Базеля (Швейцария) и Университета Мак Гилл (Канада) обнаружили, что трение можно уменьшить, если при контакте зонда с поверхностью заставить его вибрировать с определенной частотой. Метод получил название «динамическое сверхскольжение». Его считают очень перспективным для снижения трения в наносистемах. Как раз его нанотехнологи IBM и приспособили к полимерной поверхности, а также специальным зондам, способным нагревать полимер и «бурить» в нем мельчайшие ячейки хранения данных.

Подготовлено по материалам Nature и Nature Nanotechnology

Источник - Иван Охапкин, STRF.ru