Сверхскользкие технологии — на рынке через несколько лет
Многообещающее физическое явление, о котором мало кто слышал
Пока материаловеды стремятся опередить друг друга в погоне за высокотемпературной сверхпроводимостью, некоторые страны уже вступили в технологическую гонку вокруг другого физического «сверхъявления», управление которым обещает сэкономить человечеству массу энергии и других ресурсов, повысить безопасность электроприводов и сделать возможными невиданные ранее электронные устройства.
Профессор «Сколтеха» Николай Бриллиантов
Фото: из личного архива
Профессор «Сколтеха» Николай Бриллиантов
Фото: из личного архива
Сверхскользкость — это трение в сотни и тысячи раз меньше, чем между лезвием коньков и льдом. Более того, при сверхскользкости трение не зависит от массы тела, которое давит на поверхность: сдвинуть тонну можно таким же легким усилием, что и килограмм. Это совершенно противоречит житейской интуиции.
Сверхскользкость имеет место тогда, когда соприкасаются гладкие на уровне молекул поверхности, ведь обычно трение возникает из-за того, что друг за друга цепляются микроскопические бугорки. Примером молекулярно гладких поверхностей служит материал графен, пленки которого можно наносить на поверхности в области их контакта. Но одной гладкости мало: кристаллические решетки контактирующих тел не должны быть соизмеримы, то есть их размеры не должны быть кратными друг другу. Иначе атомы одной поверхности попадут в «провалы» между атомами другой, и все равно возникнет зацеп.
Теоретическое предсказание сверхскользкости было сделано в 1990-х. Примерно через десять лет это явление наблюдали в эксперименте. А сейчас в Китае уже идет разработка устройств, построенных на нем! Это очень быстро для инноваций. Конечно, пока удается достичь сверхскользкости только на масштабе меньше миллиметра, но эта величина неуклонно растет, и ожидается, что уже на горизонте нескольких лет сверхскользкость выведут в макроскопический масштаб.
Преимущества сверхскользких технологий
Около четверти всей энергии, которую вырабатывает человечество, так или иначе теряется из-за трения. В подшипниках, шестеренках, на рельсах — везде, где детали и поверхности соприкасаются и движутся относительно друг друга, трение съедает полезную энергию. Если снизить его в десятки тысяч раз, вся эта энергия может быть использована. Сверхскользкие системы изменили бы грузовой и пассажирский транспорт: вы получите аналог поезда на магнитном подвесе безо всяких магнитов, который можно будет просто толкнуть в U-образный тоннель, и он сначала разгонится, а потом остановится под действием силы тяжести. Можно доставлять тяжелые посылки системой наподобие пневмопочты: капсула с грузом практически любого веса перемещается из точки А в точку Б по сети труб, без трения. Можно сделать траволатор, как в аэропорту, но неподвижный: просто запрыгиваешь на сверхскользкую дорожку и едешь. Могут возникнуть новые зрелищные виды спорта, ведь при устранении трения возможна совсем другая механика.
Материал перестает изнашиваться. Другая колоссальная статья расходов, связанных с трением,— износ деталей. Если движущиеся части не подвержены трению, значит, материал не будет изнашиваться. Это актуально, например, для протезов суставов или для электропоезда, который получает энергию из контактного рельса (или провода), и трущиеся об него элементы токоприемника подвержены постепенному разрушению. Кстати, с миниатюризацией моторов и других устройств проблема износа становится еще актуальнее, потому что при уменьшении размеров изделия детали изнашиваются быстрее. Сверхскользкость сэкономит ресурсы не просто за счет устранения износа, но вдобавок за счет отказа от смазочных материалов: не нужно будет покупать, обновлять и утилизировать десятки миллиардов литров этих веществ каждый год.
Повышается безопасность устройств. Избавляясь от трения, мы устраняем распространенную причину аварий. Например, взрыв метана в шахте может быть вызван искрами из электромотора вагонетки или другой техники. Откуда они берутся? В моторе металлическая щетка скользит по другому проводящему ток элементу. Из-за трения в месте контакта возникает металлическая пыль, а это риск замыкания. Искры. Взрыв.
Наконец, можно создавать принципиально новые устройства, построенные на явлении сверхскользкости. Скажем, если сверхскользкий материал обладает полупроводниковыми свойствами, то возможны довольно фантастические устройства: вы малым усилием без трения перемещаете туда-обратно друг относительно друга два заряда и почти бесплатно получаете излучение. Другая футуристическая идея — использовать сверхскользкость в мемристорах, которые бы имитировали эмоциональное состояние машинного «мозга». Мемристоры — устройства, которые меняют свое электрическое сопротивление под действием электрического тока. На них могут строиться искусственные нейронные сети. И если мемристоры — это синапсы, то есть связи между искусственными нейронами, то основанные на сверхскользкости мемристоры, работающие в магнитном поле, приобретут дополнительную функциональность и смогут имитировать смещение фокуса внимания (как при эмоциях) за счет изменения магнитного поля. Считается, что в биологическом мозге это делают клетки, называемые астроцитами.
Эра сверхскользкости
Компартия Китая хорошо понимает, что начинается новая эра технологий, и в Шэньчжэне уже создан целый НИИ непосредственно под эту тему — Инженерно-технологический центр по сверхскользкости (Superlubricity R&D Centre), аффилированный с Университетом Цинхуа. При центре есть коммерческие фирмы, которые рассчитывают через несколько лет начать продавать товары, построенные на этом удивительном
физическом явлении.
Развитие сверхскользких технологий — это новая промышленная гонка, в которой важно так или иначе участвовать, по меньшей мере ради того, чтобы понимать, какие товары покупать, какие производить самим, а под какие создавать совместные предприятия.
В настоящее время моя научная группа в «Сколтехе» ведет теоретические исследования, уже построила теорию структурной сверхскользкости и объяснила загадочный эффект независимости трения от веса тела. Параллельно в институте идут экспериментальные исследования в лаборатории наноматериалов под руководством профессора Альберта Насибулина — разработана технология изготовления графеновых пленок.