Bất ngờ lớn trước hệ số ma sát âm

Nếu bạn ấn nhẹ đầu ngón tay của bạn lên bàn và trượt nó trên mặt bàn, bạn sẽ thấy nó trượt khá dễ dàng. Nếu bạn ấn mạnh hơn, thì nó khó trượt hơn vì sự tiếp xúc chặt tạo ra ma sát lớn hơn. Nhưng nay các nhà nghiên cứu ở Mĩ và Trung Quốc vừa chứng minh rằng nếu bạn làm thí nghiệm tương tự với một đầu nhọn kính hiển vi lực nguyên tử trên một bề mặt graphite, thì bạn có thể thấy hiệu ứng xảy ra ngược lại – lực ma sát giảm khi bạn ấn mạnh hơn.

Với những vật thể lớn như ngón tay và mặt bàn, lực ma sát giữa hai bề mặt là do sự gồ ghề bề mặt, sự không tinh khiết, các lớp oxide và vô số những hiệu ứng khác. Tuy nhiên, ở thang bậc nanomet, từng tương tác nguyên tử trở nên quan trọng. Vì thế, các định luật ma sát học nano – nghiên cứu ma sát ở thang bậc nano – có thể rất khác với lực ma sát mà chúng ta trải nghiệm trong thế giới vĩ mô. Ví dụ, đôi khi lực ma sát có thể biến thiên tuần hoàn theo mạng nguyên tử khi kim nhọn kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) di chuyển trên một bề mặt. Ma sát học nano đang ngày trở nên quan trọng khi các nhà khoa học và các kĩ sư phát triển những cỗ máy nano nhỏ xíu cho nhiều ứng dụng tiềm năng từ lắp ráp mạch điện cho đến sự phân phát thuốc trong cơ thể.

Hệ số ma sát đo mức độ ma sát biến thiên theo một hàm của áp lực. Nó có thể biến thiên rất nhiều ở thang nano, với lực ma sát tăng phi tuyến theo áp lực. Tuy nhiên, nó chưa từng được biết là có giá trị âm – nghĩa là, lực ma sát tăng lên khi một vật bị kéo ra khỏi một bề mặt.

Mô phỏng máy tính cho thấy đầu nhọn kim cương AFM (trên) đang di chuyển trên vài lớp trên cùng của graphite. (Ảnh: Smolyanitsky/NIST, Li/Tsinghua University)

Những phép đo thường nhật

Nhưng đó chính là cái mà what Rachel Cannara, Zhao Deng và các đồng sự tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mĩ (NIST) ở Maryland và Đại học Tsinghua ở Bắc Kinh vừa tìm thấy. Khám phá bất ngờ trên do Deng thực hiện trong khi đang đo lực ma sát giữa một đầu nhọn kim cương hiển vi và một bề mặt graphite theo một hàm của áp lực đầu nhọn – một phép đo thường thật thực hiện bởi vô số nhà ma sát học nano vẫn làm. “Chúng tôi đang khảo sát những hành trạng khác nhau được biết là xảy ra và lặp lại cái dã được trình bày trong sách vở,” Cannara giải thích.

Khi Deng tăng áp lực lên đầu nhọn, thật bất ngờ, ông thấy lực ma sát tăng lên. Tuy nhiên, khi ông giảm áp lực trở lại, thì có một bất ngờ. Thay vì trở lại giá trị ban đầu của nó, lực ma sát tiếp tục tăng lên. Điều này tương tự như việc bạn ấn lên cái bàn càng nhẹ thì nó càng khó trượt vậy. Hiện tượng này phủ nhận mọi dự đoán lí thuyết và đây là trường hợp đầu tiên ghi nhận một chất liệu thể hiện hệ số ma sát âm. Sự tăng ma sát tiếp tục khi áp lực giảm cho đến khi đầu nhọn hiển vi hoàn toàn tách ra khỏi bề mặt graphite.

Vậy tiếp theo sẽ là gì? Nghiên cứu trước đây chứng minh rằng những chất liệu như graphite có một cấu trúc nguyên tử phân lớp tạo ra ma sát lớn hơn với đầu nhọn của AFM khi chúng chỉ dày vài ba nguyên tử. Người ta nghĩ như vậy bởi vì những chất liệu mỏng thường thì dẻo hơn. Do đó, khi một chất liệu mỏng về phương diện nguyên tử tiếp xúc với một đầu nhọn AFM, nó biến dạng nhiều hơn, và vì thế làm tăng diện tích tiếp xúc và tạo ra nhiều ma sát hơn.

Một bề mặt bám dính?

Nhóm của Cannara đang nghiên cứu với graphite dạng khối, nhưng các nhà nghiên cứu ngờ rằng khi đầu nhọn hiển vi ấn vào bề mặt của chất liệu này, lực hút liên phân tử của vài lớp nguyên tử trên cùng về phía đầu nhọn kim cương đủ lớn khi áp lực giảm đi, những lớp này hơi bị nhấc khỏi khối graphite, bám vào đầu nhọn và sinh ra ma sát. Chỉ khi đầu nhọn hoàn toàn bị lấy ra khỏi thì graphite mới trở lại trạng thái ban đầu của nó. Hai mô phỏng máy tính khác nhau cho thấy giả thuyết trên là hợp lí, mặc dù có những khác biệt kĩ thuật ở những kết quả vẫn cần được giải thích, Cannara nói.

Robert Carpick thuộc trường Đại học Pennsylvania ở Philadelphia cảm thấy ấn tượng trước kết quả của nhóm Cannara. “Tôi nghĩ bài báo đó khá có sức nặng,” ông nói. “Họ trình bày kết quả xác thực và họ liên hệ nó khá thuyết phục với sự bám dính của bề mặt.” Bài báo trước đây của Carpick khảo sát bốn chất liệu khác nhau, chúng đều có cấu trúc phân lớp nhưng khác nhau triệt kể, và tìm thấy mối liên hệ giữa bề dày và sự ma sát tồn tại ở cả bốn chất đó.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Materials.

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com