Современная наука, как может, борется с трением, представляющим в ряде применений существенную проблему (не всегда, иногда, трение — это даже хорошо).
Обычно, с трением борются двумя наиболее распространёнными подходами: подбором пар трения и разработкой смазочных материалов (в реальности, даже ещё больше на самом деле - например, динамические методы, вроде той же вибрации; магнитные подвесы, воздушные подшипники и прочее).
Однако, современная наука предлагает теперь и ещё один, весьма удивительный подход: реализацию сверхтекучести при комнатной температуре!
Суть трения и борьба с ним
Но для начала, чтобы перейти к рассмотрению сверхтекучести, а зададимся себе вопросом, что такое есть «трение»?
Если опустить сложные научные объяснения, и постараться изложить максимально понятным языком, то рассмотрим 3 варианта (в реальности их может быть и больше, так как может происходить трение разных по структуре объектов), при которых происходит трение:
1. Трение объектов, с кристаллической решёткой: это самый простой вариант.
При этом варианте трущиеся объекты представляют собой кристаллические решётки - структуры из атомов (или даже целых молекул, если, например, это лёд), расположенных на равном расстоянии.
В дальнейшем я буду рассматривать на примере атомов, так как это проще, но вы, в голове можете держать и другой вариант, когда в узлах кристаллической решётки расположены молекулы.
Атомы разных веществ имеют разные размеры, и это определяется тем, сколько оболочек имеет конкретный атом, и насколько сильно ядро атома эти оболочки притягивает к себе, то есть, какой силы заряд ядра он имеет (при прочих равных, чем сильнее притягивает, тем меньше в размерах атом, тем более он «ужат»).
Таким образом, если посмотреть на атомном уровне на любое вещество с кристаллической решеткой — то это просто структура из шариков, где шарики могут быть разного размера и, вы уже, наверное, поняли: чем больше шарики одного трущегося вещества отличаются по размерам от другого — тем сильнее они проваливаются в процессе движения одного вещества по другому, в «ямы» между шариками!
Таким образом, нам кажется, что объекты скользят друг по другу, а в реальности это: подъём на горку (верхушку атома) — падение в яму (промежуток между атомами) — подъём на горку — падение в яму...и т.д.
Вот что представляет собой трение для веществ с кристаллической решёткой!
Соответственно, чем больше разница в диаметре шаров, тем более глубокие ямы, для одного из взаимодействующих объектов!
Как с этим борются: используют смазочные вещества, молекулы которых имеют достаточно маленький размер, чтобы просто-напросто «засыпать» ямы у обоих объектов.
Кстати, забавно: многое, что наблюдается в макромире — имеет свои аналоги и в микромире: как в макромире рабочие засыпают ямы, чтобы строить гладкие дороги, так и смазка «засыпает» ямы, для того же самого!
При этом, просто «засыпать ямы» недостаточно, и подбирают смазочные вещества таким образом, чтобы эту смазку не выдавило в процессе трения из зоны трения.
Для этого, вещество должно на химическом уровне связаться с трущимися поверхностями и связаться достаточно прочно.
Таким образом, в дальнейшем, наблюдается интересная картина: две трущиеся поверхности плотно покрыты своеобразной «лакировкой», а все «ямы» засыпаны.
Теперь, если происходит сдвиг одного трущегося объекта относительно другого, то, так как смазывающее вещество плотно связалось с каждой из поверхностей, — сдвиг происходит между слоями молекул самого смазывающего вещества, где силы взаимодействия существенно слабее тех сил, которые могли бы возникнуть при непосредственном взаимодействии двух трущихся объектов друг об друга, — так работает смазка.
2. А теперь рассмотрим второй вариант, где вещества представлены «аморфным» видом, то есть, их атомы не выстроены в виде чёткой периодической кристаллической решетки.
В таких структурах при трении происходит не чёткое «проваливание-подъём-проваливание» атомов одной структуры в другую, а скорее деформация и проникновение слоёв одного вещества, в слои другого вещества, поэтому здесь работа идёт над борьбой с их взаимным химическим взаимодействием и перемешиванием.
Но, суть остаётся той же, что и в предыдущем случае — обеспечить скольжение слоёв смазки друг относительно друга, и изолировать поверхности двух трущихся объектов друг от друга.
3. Ну и, в третьем же случае, когда трение происходит между составляющими компонентами жидкости, здесь механизм трения основан на химическом взаимодействии соседних молекул друг с другом, а также с динамическим их взаимодействием, то бишь, с передачей импульсов — удар одной молекулы ускоряет другую, и замедляет исходную; таким образом, в совокупности, можно сказать, что, в случае жидкости, имеет смысл больше говорить о «вязкости», а не собственно о «трении» и трение здесь как раз и представлено «вязкостью» (это весьма упрощённо, но, тем не менее).
Ну, а раз мы говорим о вязкости, то нетрудно догадаться, каким путём можно бороться с «трением» (т.е. вязкостью) в жидкости: растворители!
И здесь механизм снижения вязкости связано с тем, что, в первом случае: добавление молекул растворителя, между молекулами исходной жидкости - просто-напросто отодвигает их друг от друга на большее расстояние, не позволяя уже взаимодействовать на химическом уровне с друг другом так плотно.
В свою очередь, связь между молекулами растворителя более слабая, и они имеют более мелкий размер, поэтому, исходная жидкость становится «более жидкой».
Во втором случае, при добавлении растворителя происходит прямое химическое связывание молекул растворителя с молекулами исходной жидкости, с тем же результатом — уменьшая силу их взаимодействия друг с другом.
Забавный факт на конец этой части: а что такое «пара трения»? Кто сталкивался с механикой, знает, что в технике стараются подбирать такие вещества трущихся объектов, чтобы их коэффициент трения друг об друга был минимальным — это позволяет обеспечить долговечность трущихся узлов и такие пары называют «пара трения».
Вы, наверное, уже догадались, что это такое на микроуровне: просто-напросто их атомы/молекулы имеют настолько малую разницу в размерах относительно друг друга, что минимально проваливаются в «ямы» друг друга, вот и всё!
Про сверхтекучесть
Сверхтекучесть это такое особое состояние вещества, проявляемое им при температуре близкой к абсолютному нулю, когда оно превращается в квантовую жидкость и получает ряд уникальных свойств, одно из которых, как минимум, для гелия 4 (но были открыты и другие возможные системы), проявляется в его способности течь без трения, что проявляется в конкретных случаях как способность проходить даже сквозь сверх мелкие щели, отверстия, а также течь по вертикальным стенкам снизу-вверх (эффект принципиально отличный от капиллярного, так как тут действует уже не поверхностное натяжение, а наблюдается фундаментальный квантовый эффект материи).
Теперь, когда мы немного разобрались с физикой происходящих процессов при трении, посмотрим, а что же предлагает нам наука, обещая «сверхтекучесть при комнатной температуре» и что вообще это такое?
Сразу скажу, что классическое объяснение процесса настолько сложно (экситоны, поляритоны, волновые функции, конденсат Бозе-Эйнштейна,
мьёлнир, радужный мост), что его обычному человеку почти невозможно понять, даже прочитав 10 раз :-)Поэтому, далее будет самыми понятными словами...
Рассмотрим самый первый вариант, когда скользили бы друг по другу две кристаллические решётки.
В обычном состоянии мы уже поняли, как это работает: две сборки из шариков скользят друг по другу, поднимаясь на вершины шариков, и падая в ложбинки между ними, где при этом, каждый шарик ещё и хаотично вибрирует (тепловое движение) — это ещё более усложняет движение по ним, и постоянно появляется возможность зацепиться за что-то новое.
То есть, если обобщить, то получается, что падение в ямы — это смещение верхней поверхности шариков относительно нижней.
А теперь, что придумали учёные: представим, что между двумя нашими поверхностями из шариков помещается среднее вещество, условно назовём его «смазка».
Это вещество снаружи постоянно подпитывается источником энергии — в качестве которого выступают фотоны света, подаваемые лазером.
Это подпитка приводит к тому, что атомы/молекулы «смазки» начинают колебаться сами и принудительно заставляют колебаться вместе с собой, с одной и той же частотой, в одной и той же фазе — атомы/молекулы поверхностей.
В результате, это приводит к следующему: предположим, что верхнюю поверхность из шариков мы попытаемся сдвинуть относительно нижней, и, в какой-то момент времени, эта поверхность должна была бы упасть в ямы, между атомами нижней поверхности, однако, в этот момент нижняя поверхность ушла вниз, синхронно с верхней и падения не произошло, - вместо этого, верхняя поверхность сдвинулась на некоторое расстояние, после чего они обе сместились также вверх и верхняя поверхность без какого-либо падения оказалась на верхушках шариков, не побывав в «ямах»!
Другими словами, обе поверхности можно рассмотреть как 2 синусоиды, где одна из них идёт на некотором расстоянии от другой, полностью повторяя её форму и это расстояние постоянно сохраняется. Теперь, если верхнюю синусоиду сдвинуть вбок, например, вправо, то нижняя при этом движении будет всегда повторять форму верхней. То есть: расстояние между ними неизменно, а друг для друга они представляют как бы плоскость, несмотря на то, что колеблются! Никто ни на какие «вершины» не поднимается и в «ямы» не падает!
В итоге, верхняя плоскость сместилась, не испытав сопротивление трения! И, это возможно проделывать при комнатной температуре, в отличие от гелия 4, который требует охлаждения почти до температуры абсолютного нуля.
Аналогичные эксперименты проводятся с аморфными поверхностями и с жидкостями, где механизм работы такой универсальной «смазки нулевого трения» аналогичен принципу работы на поверхностях кристаллических решёток — обволакивание и синхронные колебания как смазки, так и трущихся поверхностей.
Пробуют экспериментировать ещё и с жидкостями, где создаются синхронные области, позволяющие течь молекулам согласованно, не сталкиваясь и не взаимодействия излишне друг с другом, и жидкость становится «более жидкой», только без каких-либо дополнительных растворителей.
Самое первое наблюдение подобного эффекта произошло ещё в 2017 году, когда команда исследователей заметила подобный эффект сверхтекучести при комнатной температуре на примере кремния, и само наблюдение подобного эффекта при таких простых условиях стало тогда сенсационной новостью.
В дальнейшем, активное развитие разработки получили уже в 2023 году, когда сходные эффекты были обнаружены у органических полупроводников, перовскитов, квантовых точек, графена и ряда других.
В данный момент эксперименты продолжаются, и, кто знает, может быть, это приведёт к прорыву в борьбе со трением (вышел из подъезда, оттолкнулся разок ногой от асфальта — и доскользил до любимой работы до пляжа с шезлонгом) :-)
Вот такая интересная штука, если вкратце...
P.S. В самом начале статьи есть забавная картинка из видео, которое хорошо и наглядно, на мой взгляд, иллюстрирует, как можно сделать ровное движение из холмистой местности, что весьма похоже на то, что и происходит при сверхпроводимости при комнатной температуре.
Вот это видео: