Nghiên cứu lực ma sát ở cấp độ nguyên tử

Một phương pháp thí nghiệm mới dựa vào kính hiển vi lực nguyên tử cho phép nghiên cứu lực ma sát ở cấp độ từng nguyên tử.

Philip Egberts và Robert Carpick (http://physics.aps.org/articles/v6/102)

Mọi người đều đã học được ở trường phổ thông rằng: lực ma sát tác dụng lên một vật đang trượt tỉ lệ thuận với áp lực pháp tuyến do vật tác dụng lên bề mặt trượt. Cái đáng nói là mối liên hệ cực kì đơn giản và mang lối kinh nghiệm này, được gọi là định luật Amontons, vẫn thường được sử dụng trong chế tạo đa số máy móc và dụng cụ công nghệ phức tạp, mặc dù người ta biết rằng lực ma sát biến thiên theo một số lượng lớn thông số khác không được tính đến trong mối liên hệ này. Ví dụ, ở cấp độ nano, lực ma sát bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự kết bám, một ví dụ trong đó định luật Amontons không thể dự đoán lực ma sát[1]. Tương tự, lực ma sát có thể phụ thuộc vào tốc độ trượt, khoảng thời gian tiếp xúc, môi trường, nhiệt độ, và hướng trượt [1,2]. Như đã báo cáo trên tạp chí Physical Review Letters, Jay Weymouth và các đồng sự tại trường Đại học Regensburg ở Đức đã nghiên cứu lực ma sát ở cấp độ chiều dài nguyên tử, sử dụng một kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) [3] để khảo sát lực tương tác giữa một đầu nhọn tungsten có tráng một lượng nhỏ silicon, trượt trên bề mặt của silicon kết tinh. Họ báo cáo một quan sát chưa từng thu được trước đây ở cấp độ chỉ vài ba nguyên tử: lực ma sát phụ thuộc mạnh vào sự định hướng của những liên kết nguyên tử silicon nhất định tại bề mặt so với hướng trượt của đầu nhọn.

Sự phụ thuộc vào hướng của lực ma sát, còn gọi là tính dị hướng ma sát, trước đây đã được quan sát thấy ở những cỡ lớn hơn (ít nhất là vài nano mét). Ví dụ, một đầu nhọn bị hút dọc theo một lớp phân tử trong đó các phân tử đều nghiêng cục bộ theo cùng một chiều. Trượt theo trục nghiêng tạo ra ma sát thấp hơn khi trượt vuông góc với nó [4]. Bạn có thể quan sát một hành trạng giống như vậy một cách đơn giản bằng cách ép nhẹ hai bàn tay vào nhau (giống như đang cầu nguyện nhưng với các ngón tay tách nhau ra). Cho trượt các ngón tay trái trên các ngón tay phải (vuông góc với trục dọc của ngón tay), thì các ngón của bàn tay này bị dính vào giữa các ngón của bàn tay kia.Tuy nhiên, nếu thay vậy bạn trượt tay trái xuống và trượt tay phải lên (song song với trục dọc của ngón tay), thì hai bàn tay chuyển động êm ái. Sự định hướng tương đối giữa chiều trượt và các rãnh của ngón tay ảnh hưởng đến lực ma sát do hình dạng của hai bàn tay. Sự dị hướng ma sát đã được quan sát thấy khi cho trượt một đầu nhọn nhỏ trên những bề mặt phẳng đến cấp độ nguyên tử và có các thông số đã biết rõ [5]. Tuy nhiên, trong tất cả những trường hợp này, đầu nhọn cỡ nano mét bị ấn tiếp xúc với bề mặt, nghĩa là một số lượng lớn (ít nhất là hàng nghìn) nguyên tử đang tiếp xúc nhau trong thí nghiệm này.

Những tiến bộ trong thời gian gần đây về AFM đã dẫn tới sự phát triển của phương pháp điều biến tần số (FM) độ nhạy cao [6], trong đó đầu nhọn dao động theo phương vuông góc với bề mặt. Trong mode AFM này, lực hút giữa bề mặt và đầu nhọn làm biến thiên tần số cộng hưởng của bộ cảm biến lực; địa hình bề mặt có thể được lập ảnh bằng cách theo dõi tần số cộng hưởng của bộ dao động với độ chính xác rất cao. Đầu nhọn có thể được mang tới trong cự li khoảng cách nguyên tử đến bề mặt mà thật sự không chạm vào nó. Mode “AFM phi tiếp xúc” (nc–AFM) này đã được sử dụng để tạo ra những hình ảnh phân giải cỡ nguyên tử của các bề mặt, ví dụ như ảnh phân giải nguyên tử đầu tiên của phân tử pentacene độc thân trên các bề mặt [7], hay sự sắp xếp lại của từng liên kết hóa học trong các phản ứng hóa học bề mặt [8]. Một phương pháp đặc biệt nhạy, do nhóm của Giessibl đi tiên phong phát triển, sử dụng cái gọi là bộ cảm biến “qPlus” – một cái cần điều chỉnh bằng thạch anh cứng với đầu nhọn tungsten sắc và dẫn điện gắn đầu mút của nó [9]. Việc sử dụng các bộ cảm biến qPlus trong nc-AFM cho phép người ta điều khiển các dao động với biên độ nhỏ hơn cả kích cỡ tiêu biểu của nguyên tử, mang tới độ phân giải dưới một nguyên tử [10].

Phác họa bố trí thực nghiệm do nhóm của Weymouth thực hiện [3].

Trong nghiên cứu mới, Weymouth và các đồng sự đã chế tạo những bộ cảm biến qPlus tùy chỉnh quay 90^o so với định hướng tiêu biểu của chúng; từ đó cho phép đầu nhọn dao động song song, thay vì vuông góc, với bề mặt và rồi đo lực ma sát. Dạng hình học mới lạ này cho phép họ thu được hình ảnh phân giải nguyên tử đầu tiên của độ lệch tần tiếp tuyến.

Bề mặt silicon mà họ nghiên cứu gồm những cặp, hay “nhị trùng” nguyên tử silicon sắp thẳng hàng theo một phương kết tinh trên bề mặt. Mẫu có thể được xử lí sao cho có hai vùng khác nhau (hai mô đất) trong đó các nhị trùng silicon định hướng theo phương vuông góc nhau (xem hình). Đội nghiên cứu tìm thấy rằng khi đầu nhọn trượt vuông góc với các nhị trùng, thì lực ma sát biểu hiện một sự điều biến đối xứng ở mỗi vị trí nhị trùng.Tuy nhiên, nếu cho đầu nhọn trượt song song với các nhị trùng, thì sự điều biến đó trở nên mất đối xứng. Sự khác biệt này có thể quy trực tiếp cho sự phụ thuộc hướng của độ cứng tiếp tuyến của các liên kết nguyên tử của chất nhị trùng.

Những nghiên cứu cỡ nguyên tử như thế có một ưu điểm quan trọng: các tác giả có thể lập mô hình bề mặt sử dụng một chương trình mô phỏng cơ lượng tử và mang tính nguyên tử trọn vẹn, tái dựng lại các đại lượng có thể quan sát thực nghiệm, ví dụ như áp lực pháp tuyến hoặc lực ma sát, độ cứng pháp tuyến hoặc độ cứng tiếp tuyến, và địa hình bề mặt được đo. Những mô phỏng như thế là cần thiết bởi vì không thể, ngay cả trong những thí nghiệm thận trọng nhất [2], quan sát đồng thời mọi nguyên tử trên bề mặt đó và đầu nhọn trong khi đo lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến. Trái lại, các mô phỏng có thể xử lí mọi nguyên tử độc thân và cho phép thiết lập một giả thuyết chính xác đến cấp độ nguyên tử để lí giải các quan sát thực nghiệm đó. Ngoài ra, các mô phỏng cơ lượng tử chưa thể đạt tới cỡ chiều dài của các nghiên cứu lực ma sát cấp bậc lớn hơn với AFM (các mô phỏng cơ lượng tử bị hạn chế bởi công suất điện toán hiện có, chúng chỉ xử lí được đến vài trăm nguyên tử, với cơ chế động lực học chỉ có thể được mô phỏng trong vài pico giây). Vì thế, các thí nghiệm cỡ nguyên tử của Weymouth và các đồng sự đã mang lại cơ hội để lần đầu tiên so sánh thành công các mô phỏng cơ lượng tử trọn vẹn với các phép đo.

Trong khi các kết quả thu được là cho một hệ dị hướng rất riêng, nhưng nghiên cứu trên có tác động lớn rộng hơn với hai mặt ảnh hưởng chính. Thứ nhất, nó cho thấy rằng độ cứng tiếp tuyến phân giải đến cỡ nguyên tử và các phép đo lực tiếp tuyến là có thể. Điều này mở ra khả năng cho các nghiên cứu trong tương lai của những vật liệu khác và những hiện tượng liên quan đến lực ma sát. Thứ hai, thực tế các tính toán ăn khớp với dữ liệu thực nghiệm giúp xác lập độ chuẩn xác của phương pháp dựa trên các tính toán cơ lượng tử. Với sự tăng công suất máy tính và hiệu quả thuật toán, các mô phỏng của những hệ lớn hơn (nhiều nguyên tử hơn) trong thời gian lâu hơn có thể hiện thực hóa các nghiên cứu ảo của những hiện tượng mà thí nghiệm chưa truy xuất được.

Mặc dù chúng ta biết rất nhiều về lực ma sát, nhưng phần nhiều cái liên quan đến nó vẫn là một bí ẩn. Chúng ta chưa có bất kì phương trình nào dự đoán lượng ma sát giữa hai vật liệu nhất định, và chúng ta chưa hiểu và không thể dự đoán định lượng lực ma sát sẽ phụ thuộc như thế nào vào nhiệt độ hay vào môi trường. Tuy nhiên, qua cách kết hợp các thí nghiệm mới lạ và các mô phỏng tiên tiến này, vấn đề phức tạp của lực ma sát đã và đang được nghiên cứu ở cấp độ nguyên tử - đơn vị tiếp xúc cơ bản nhất. Những hiểu biết vi mô như thế có thể giúp đưa ma sát ra khỏi địa hạt nghiên cứu theo lối kinh nghiệm và chuyển sang một địa hạt khác, qua cách hiểu từ dưới lên về lực ma sát phát sinh như thế nào, các tính chất của vật liệu đang tiếp xúc trượt cuối cùng có thể được dự đoán và điều khiển. Hiểu rõ hơn lực ma sát sẽ mang lại nhiều ứng dụng hữu ích từ nghiên cứu các vết nứt gãy địa chất cho đến dự đoán sự ăn mòn ở các bộ phận xe hơi hoặc các hệ thống vi cơ điện (MEMS).

Tham khảo:

C. M. Mate, Tribology on the Small Scale: A Bottom up Approach to Friction, Lubrication, and Wear (Oxford University Press, Oxford, 2008)[Amazon][WorldCat].
I. Szlufarska, M. Chandross, and R. W. Carpick, “Recent Advances in Single-Asperity Nanotribology,” J. Phys. D: Applied Physics 41, 123001 (2008).
A. J. Weymouth, D. Meuer, P. Mutombo, T. Wutscher, M. Ondracek, P. Jelinek, and F. J. Giessibl, “Atomic Structure Affects the Directional Dependence of Friction,” Phys. Rev. Lett. 111, 126103 (2013).
M. Liley, D. Gourdon, D. Stamou, U. Meseth, T. M. Fischer, C. Lautz, H. Stahlberg, H. Vogel, N. A. Burnham, and C. Duschl, “Friction Anisotropy and Asymmetry of a Compliant Monolayer Induced by a Small Molecular Tilt,” Science 280, 273 (1998).
U. Gehlert, J. Fang, and C. M. Knobler, “Relating the Organization of the Molecular Tilt Azimuth to Lateral-Force Images in Monolayers Transferred to Solid Substrates,” J. Phys. Chem. B 102, 2614 (1998); R. W. Carpick, D. Y. Sasaki, and A. R. Burns, “Large Friction Anisotropy of a Polydiacetylene Monolayer,” Tribol. Lett. 7, 79 (1999); H. Bluhm, D. Schwarz, P. Meyer, and R. Wiesendanger, “Anisotropy of Sliding Friction on the Triglycine Sulfate (010) Surface,” Appl. Phys. A 61, 525 (1995).
T. R. Albrecht, P. Grütter, D. Horne, and D. Rugar, “Frequency Modulation Detection Using High-Q Cantilevers for Enhanced Force Microscope Sensitivity,” J. Appl. Phys. 69, 668 (1991).
L. Gross, F. Mohn, N. Moll, P. Liljeroth, and G. Meyer, “The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy,” Science 325, 1110 (2009).
D. G. de Oteyza et al., “Direct Imaging of Covalent Bond Structure in Single-Molecule Chemical Reactions,” Science 340, 1434 (2013).
F. J. Giessibl, “High-Speed Force Sensor for Force Microscopy and Profilometry Utilizing a Quartz Tuning Fork,” Appl. Phys. Lett. 73, 3956 (1998).
F. J. Giessibl, S. Hembacher, H. Bielefeldt, and J. Mannhart, “Subatomic Features on the Silicon (111)-(7×7) Surface Observed by Atomic Force Microscopy,” Science 289, 422 (2000).