物理学者はデバイス内の「隠れた」摩擦を制御できるようになりました

完全に滑らかなデバイスの一部でも、内部の電子による摩擦が発生する可能性がありますが、新しい方法により、研究者は摩擦を軽減したり、完全に排除したりできる可能性があります。この電子摩擦を制御すれば、より効率的で長持ちするデバイスの作成に役立つ可能性があります。

摩擦力は動きを妨げ、エネルギーを消散し、私たちの周囲のあらゆる場所に存在し、たとえば滑らずに歩くことやマッチに火をつけることを可能にします。エンジンなどの機械内では、摩擦によってエネルギーが浪費され、摩耗が引き起こされるため、潤滑剤や表面処理によって摩擦に対抗する必要があります。それにもかかわらず、物体には相互作用する電子が満ちているため、方法に関係なくある程度の摩擦が持続する可能性があります。

現在、中国の清華大学のJiping Xu氏らは、この「電子摩擦」を制御する方法を考案した。彼らは、グラファイトと、モリブデンと硫黄またはホウ素と窒素でできた半導体の 2 つの層で構成されるデバイスを作成しました。

3 つの材料はすべて優れた固体潤滑剤であり、相互に摺動する際の機械的摩擦がほぼゼロであることを意味します。 Xu氏は、これにより研究者たちは、デバイスの層が移動するときにエネルギーを浪費する電子摩擦のより「隠された」メカニズムに焦点を当てることができたと述べています。 「表面が完全に滑る場合でも、機械的な動きによって材料内の電子の『海』がかき混ぜられる可能性があります」と彼は言います。

研究者らはまず、半導体層の電子状態が滑り時のエネルギー損失にどのように対応するかを研究し、実際に電子摩擦を調べていることを確認した。次に、それを制御するいくつかの方法をテストしました。

彼らは、デバイスに圧力を加え、層間の電子がエネルギー的に高価な方法で相互作用するのではなく状態を共有できるようにすることと、電子の海がどれだけ移動できるかを制御する「バイアス電圧」をデバイスに追加することによって、電子の海を完全にオフにすることに成功した。

研究者らは、デバイスの 2 つの異なる部分の電圧を変更することで、デバイス内での電子の流れやすさに影響を与え、電子摩擦を弱めることができました。これは、オン/オフ スイッチではなく、制御ダイヤルとして機能しました。

ノースカロライナ州立大学のジャクリーン・クリム氏によると、電子摩擦の最初の研究は1998年に遡り、そのとき彼女のチームは極低温で電気を完全に伝導する材料、超伝導体を使用して、この特定の状態で電気が消滅するのを観察したという。それ以来、研究者たちは、材料を完全に廃棄したり、デバイスに新しい潤滑剤を追加したりすることなく、それを制御する新しい方法を開発してきたと彼女は言います。

クリム氏によると、理想的な状況は、たとえば凍った歩道からカーペット敷きの部屋まで歩くときに、スマートフォンのアプリを使って靴底の摩擦を調整するのに似ているという。彼女は、「目標は、ダウンタイムや材料の無駄のないリアルタイムのリモコンを実現することです。これを達成するには、望ましい摩擦レベルを達成する方法で外部磁場に反応する材料が必要です。」と述べています。

装置内に存在するあらゆる種類の摩擦を管理することは難しいとシュー氏は言う。その理由の一つは、すべての摩擦を厳密に相互に関連付けることができる数学的モデルを研究者がまだ開発していないからである。しかし、電子摩擦がエネルギーの浪費や磨耗の主な原因である場合には、彼のチームの発見はすでに有望である可能性がある、と彼は言う。