کشف علت لغزندگی الماس در مقیاس‌‌نانو

محققان از سال‌ها پیش به مطالعه بر روی الماس پرداخته‌اند، زیرا این ماده علاوه بر داشتن سختی بالا، در هنگام لغزش دارای اصطکاک بسیار کمی است. اخیراً استادیاری از گروه مهندسی مکانیک دانشگاه پنسیلوانیا به نام رابرت کارپیک و همکارانش، علت بروز لغزش لایه‌های الماسه را کشف کرده‌اند. آنها بر روی منشأ چنین خصوصیاتی بحث کرده، اطلاعات جدیدی در این خصوص عرضه داشته‌‌اند. این اطلاعات به ساخت نسل جدیدِ مواد کم‌اصطکاک کمک خواهد نمود.

محققان از سال‌ها پیش به مطالعه بر روی الماس پرداخته‌اند، زیرا این ماده علاوه
بر داشتن سختی بالا، در هنگام لغزش دارای اصطکاک بسیار کمی است. اخیراً
استادیاری از گروه مهندسی مکانیک دانشگاه پنسیلوانیا به نام رابرت کارپیک و
همکارانش، علت بروز لغزش لایه‌های الماسه را کشف کرده‌اند. آنها بر روی منشأ
چنین خصوصیاتی بحث کرده، اطلاعات جدیدی در این خصوص عرضه داشته‌‌اند. این
اطلاعات به ساخت نسل جدیدِ مواد کم‌اصطکاک کمک خواهد نمود.

کارپیک و گروهش، در این تحقیق با محققانی از آزمایشگاه‌های ملی آرگونه، دانشگاه
ویسکونسین-مادیسون و دانشگاه فلوریدا همکاری می‌کرده‌اند. آنها در آزمایش‌های
خود ابتدا از طریق طیف‌نمایی، اصطکاک الماس را بررسی و اعتبار دو فرضیه‌ را که
پیش از این در توجیه این پدیده ارائه شده بود، ارزیابی نمودند

این مطالعات ـ که در آنها از روش بسیار خاصی به نام ریزبینی تابشی فوتوالکترون
یا PEEM استفاده شد ـ نشان داد که این رفتارِ لغزشی از کنش‌پذیری ناشی از پیوند‌های
اتمی موجود در سطح الماس است که در حین لغزش شکسته‌ می‌شوند. این پیوندها از
طریق جذب انفکاکی مولکول‌های آب از محیط اطراف، تحت واکنش قرار می‌گیرند. این
محققان دریافته‌اند که نبود بخار آب کافی در محیط، اصطکاک را به میزان قابل‌توجهی
افزایش می‌یابد.

یکی از توجیهاتی که پیش از این برای اصطکاک پایین الماس مطرح می‌شد، این بود که
اصطکاک، باعث جذب انرژی از سوی سطوح لغزان الماس می‌شود و به این ترتیب، الماس
به گرافیت ـ که یک ماده لغزنده است ـ تبدیل می‌شود. در این تحقیق، با استفاده
از ابزارِ PEEM از سطوح عکس‌برداری شد و تغییرات شیمیایی انجام‌گرفته در حین
لغزش سطوح، شناسایی شد.

این گروه یک لایه نازک الماسه را آزمایش کردند و دریافتند که حتی در محیط
کاملاً خشک(رطوبت نسبی یک درصد)، اصطکاک این لایه بسیار کم(ضریب اصطکاکی در
حدود ۰۱/۰) است. این گروه از یک میکروتریبومتر(یک اصطکاک‌سنج دقیق) استفاده
کرده و با استفاده از ریزبینی تابشی فوتوالکترونِ اشعه ایکس(یک روش طیف‌نمایی
فضایی) نشان دادند که اثری از گرافیت بر روی سطوح لغزشی وجود ندارد؛ البته
محققان مذکور مشاهده کردند که بر روی سطوح ساییده‌شده، اکسیژن وجود دارد. وجود
اکسیژن نشان می‌دهد که پیوندهای شکسته‌شده در حین لغزش، نهایتاً از طریق
مولکول‌های آبِ موجود در محیط، تحت واکنش قرار می‌گیرند.

هم‌اکنون از الماس در صنعت و در کاربردهایی چون پوشش‌های مکانیکی برای کاهش
سایش، و در پوشش‌های فوق‌سخت برای ابزارهای برشی استفاده می‌شود. این تحقیق
می‌تواند به استفاده بیشتری از لایه‌های الماسه در ماشین‌ها و ابزارها برای
طولانی کردن دوره‌های زمانی تعمیرات، و جلوگیری از سایش قطعات و اتلاف انرژی
به‌وسیله اصطکاک بینجامد.