Článek
Pokud chcete na vlastní kůži zažít něco, s čím si věda neví rady, přejeďte rukou po stole. To, co se na rozhraní obou povrchů v tu chvíli děje, dnes totiž neumíme popsat. „Nedokážeme to spočítat ani náhodou,“ říká Tomáš Polcar, který působí napůl na Fakultě elektrotechnické ČVUT a na univerzitě v Southamptonu.
Tření je přitom Polcarovou profesní specializací. „My se v naší laboratoři zaměřujeme právě na to, co se děje při tření dvou pevných povrchů,“ vysvětluje. Protože jak sám říká, dnešní fyzika nestačí na popis každodenních jevů, jako je přejetí rukou po nábytku či třeba dvou ocelových dílech, mezinárodní skupina v jeho pražské laboratoři se soustředila na mnohem exotičtější materiály.
Takové, se kterými si vědci umí poradit. A které jsou mnohem „klouzavější“ než cokoliv, co znáte ze své běžné zkušenosti. „Nedávno jsme naměřili materiály s tak nízkým součinitelem, že čistě teoreticky bychom po nich dokázali rukou posunout objekt vážící tisíc tun,“ říká.
Jednodušší život ve 2D
Tření je všude kolem nás a využíváme ho od nepaměti. Jedním ze způsobů, jak rozdělat oheň, je tření dřeva. Zároveň nás ovšem jeho existence něco stojí – vlastně hodně.
Každým rokem padne nezanedbatelné množství energie, ať už na překonání samotného tření, tak na výrobu náhradních dílů za ty, které se třením opotřebovaly. Řádově několik jednotek procent výkonu automobilu se vynaloží na překonání tření jeho součástek. A to samozřejmě zcela pomíjíme tření v místě kontaktu s vozovkou.
Věda o tření, opotřebení a mazání, tzv. tribologie, dělá vše pro to, aby tyto ztráty snížila. Dnes se tak děje především s pomocí hojně rozšířených kapalných maziv.
Ovšem v 21. století byla objevena slibná možnost, jak by se „mazání“ dalo dále vylepšit a ztráty způsobené třením snížit. Jde o takzvané „2D materiály“, tedy látky, které se vlastně chovají, jako kdyby byly dokonale ploché.
Prvním z nich byl grafen, jenž v roce 2004 zájem o tento typ látek nastartoval. Grafen se dnes ve větším měřítku stále nevyužívá, protože se ho nedaří vyrábět levně a ve větším měřítku. Stal se ovšem inspirací pro celou řadu jiných 2D materiálů, z nichž některé by mohly v brzké době najít zajímavé uplatnění. Možná třeba i jako maziva.
Nikdo přitom (alespoň zatím) netvrdí, že by takové látky v dohledné době měly nahradit kapalné lubrikanty. Ale již dnes se najde dost zajímavých aplikací, pro které se oleje či podobná maziva prostě nehodí a tuhá maziva by tam mohla uplatnit (či se tam již uplatňují, ale samozřejmě další zlepšení jsou možná).
Olej například těžko můžete používat například k mazání chirurgických šroubů. Kapalným mazivům také nesvědčí vakuum; i družice přitom mohou obsahovat pohyblivé díly, jež by snesly čas od času „promazat“. „Kapalná maziva také mohou být problematická v elektromobilech, protože v těch se mohou častěji vyskytovat bludné proudy, které lubrikant mohou znehodnotit,“ říká Tomáš Polcar.
Nejde ale pouze o praktické výhody. Z hlediska vědců, které zajímá tření, je na těchto plochých materiálech úžasné i to, jak jsou jednotvárné.
Grafen
O prvním známém příkladu „2D materiálu“ jste už téměř určitě slyšeli. Je jím grafen, což je čistý uhlík uspořádaný v ideálním případě do jediné vrstvy atomů uhlíku složených do extrémně pravidelných šestiúhelníků.
Pozorování tenkých uhlíkových destiček pod elektronovým mikroskopem se objevilo více než před půl stoletím, ovšem do začátku našeho současného tisíciletí převládal názor, že takový materiál ve skutečnosti nemůže existovat. Autority odhadovaly, že uhlík by se jednoduše řečeno „sroloval“ do trubičky.
Pak se odborný názor začal pomalu měnit, ale definitivně otázku vyřešil tým kolem Andreje Konstantinoviče Geima a Konstantina Sergejeviče Novoselova z univerzity v Manchesteru. Ten grafen v roce 2004 poprvé izoloval. Připravili ho tak, že odloupli pomocí lepicí pásky z uhlíkového krystalu nepatrnou šupinku. Pásku pak rozpustili v ředidle, které uhlík nepoškodilo.
Nešlo o ideální grafen. Vrstva nebyla silná jeden atom, ale i tak se rychle zjistilo, že materiál má celou řadu úžasných vlastností. Je velmi pevný, lehký, skvěle vede teplo i elektřinu. Bohužel výroba grafenu ve větším měřítku a za rozumné peníze se zatím nedaří, a tak v praxi zatím uplatnění v podstatě nenašel.
Na tohle (snad) stačíme
Povrch grafenu (a dalších podobných materiálů) je tak nezajímavý, jak si jen dokážete představit – v lidském měřítku by to byla k zešílení nudná a plochá nekonečná rovina. Současná „věda o tření“ má však s čímkoliv složitějším ohromné potíže.
Tomáš Polcar vysvětluje: „Tření dvou pevných povrchů je neuvěřitelně složitý proces, který do matematických vzorů zatím nedokážeme nijak přepsat.“ Když se setkají dva takové prakticky dokonale ploché materiály, je to diametrálně jednodušší děj než setkání vašeho prstu s plochou stolu. V plochém světě 2D materiálů je tedy možné mnohem lépe vše počítat.
Ne že by to tedy bylo jednoduché. Nutné výpočty musí běžet na superpočítačích, na svém notebooku je nerozběhnete. I tak ale stávající výpočty nejsou tak dobré, jak by si vědci představovali. Velmi jednoduše řečeno, bez měření se vědci dnes neobejdou.
Problém je v jistém nesouladu mezi mikrosvětem a makrosvětem. Dnes je možné přesně popsat chování atomů v mikroskopickém měřítku. Na ČVUT si tak například na své pokusy vědci vybrali materiály, o kterých předpokládali, že by díky své atomové struktuře po sobě mohly dobře „klouzat“.
Ovšem na tyto odhady lze spoléhat pouze do určité míry. V makroskopickém měřítku totiž hraje roli více faktorů, z nichž řada je navíc těžko předvídatelných. S pomocí měření mohou vědci celkem dobře určit, co se ve vzorku děje, ale výsledky simulací často reálným experimentům neodpovídají.
Právě to by mezinárodní skupina působící na katedře řídicí techniky FEL ČVUT chtěla změnit. „Zatím nedokážeme v počítačových simulacích přesně předpovědět, co naměříme,“ říká Polcar. Cílem je tedy vytvořit mnohem spolehlivější a přesnější simulaci, která by už dokázala spolehlivě předpovídat, jak velký odpor při setkání dvou 2D materiálů vznikne.
Ukázka tří kombinací 2D materiálů při hledání superlubrikantu. Vlevo nahoře (A) jde o vrstvu molybdendisulfidu na vrstvě grafitu. Na obrázku B je vrstva molybdendisulfidu na ploše z nitridu boritého. Na posledním obrázku je pak vrstvička grafenu na nitridu borném. Extrémně nízké tření bylo naměřeno v případech na obou vzorcích z molybdendisulfidem.
Najít ty nejlepší
Není těžké si představit, že takový výsledek by byl velmi praktický. „Dvourozměrných“ materiálů však existují stovky, vyzkoušet všechny jejich kombinace za různých podmínek (například teplot) není reálné. Simulace jsou podstatně rychlejší a levnější. Díky nim by tak bylo možné vytipovat zajímavá „tuhá maziva“ pro různá prostředí či aplikace a pak v laboratoři reálně vyzkoušet pouze nejslibnější kombinace.
V praxi by taková tuhá maziva tvořila tenkou vrstvu na povrchu daného dílu a zajímavých využití by se pro ně mohla najít celá řada. Už proto, že zřejmě mohou být opravdu „superkluzká“. „Pokud víme, v nedávném měření jsme dosáhli nejnižšího naměřeného součinitele odporu vůbec,“ říká Tomáš Polcar. Článek s tímto výsledkem vyšel v časopise Nature Materials.
Třecí součinitel se při zkouškách kombinace dvou 2D materiálů dostal na hodnoty kolem jedné miliontiny. Pro srovnání, běžně se při tření dvou pevných materiálů (třeba oceli či keramiky) pohybuje kolem několika desetin, zhruba od 0,5 a výše. Když přejedete rukou po stole, může být i kolem jedné, záleží na řadě faktorů. S kapalnými lubrikanty lze samozřejmě dosáhnout hodnot součinitele tření výrazně nižších, řádově setin, tedy 0,01.
Na první pohled je zjevné, že pevné lubrikanty mají poměrně reálnou šanci v praxi jejich výkony překonat. Samozřejmě hodnotám z laboratoře se v praxi dá přiblížit stěží – třeba již proto, že v praxi se po sobě nikdy neposouvají dvě na atomární úrovni prakticky dokonale rovné plochy. Tomáš Polcar by považoval za úspěch, kdyby se podařilo dostat se na hodnotu řádově tisícin (0,001), která se označuje jako hranice tzv. superlubricity.
Skupina pokročilých materiálů FEL ČVUT. Vedoucí Tomáš Polcar je vepředu. Prvním autorem článku o rekordně malém tření (tedy tím, kdo na něm odvedl nejvíce práce) je Mengzhou Liao (vzadu uprostřed ve světlejším saku).
Tepelný problém
I kdyby se je podařilo do praxe nasadit, nepůjde o materiál pro každou příležitost. V řadě využití nebude dávat smysl, protože úspory dané snížením tření prostě nebudou stát za to. Ale takto výkonný tuhý lubrikant by se mohl používat v případech, pro které se tekuté nehodí. Například by bylo možné postavit nezapouzdřený kloub, pokud by to konstrukce z nějakého důvodu vyžadovala.
Snížení tření by také snížilo množství vznikajícího odpadního tepla. Kdyby se jeho množství podařilo výrazně snížit, některé součástky či celé stroje by se mohly vyrábět levněji či jednodušeji.
Na druhou stranu tekuté lubrikanty mají proti tuhým tu výhodu, že odpadní teplo vznikající při tření dokážou velmi účinně odvádět pryč. V případě tuhých maziv se může přebytečné teplo snadno změnit ve velký problém. Buď se musí jednat o materiály, které dobře zvládnou vysoké teploty, nebo musí mít extrémně nízké tření, aby odpadního tepla vznikalo minimum.
Kdy by takové materiály mohly být k dispozici? „Zatím ještě nejsme tam, kde bychom chtěli být, ale doufám, že se blížíme,“ říká Tomáš Polcar. V současné době se jeho skupina snaží přenést dvourozměrné materiály na ložiskovou kuličku a testovat je v běžných podmínkách. Kdy bychom něco takového mohli vidět i mimo laboratoř, si netroufnou odhadovat. Ani odborníci na tření dopředu nevědí, kdy se něco zadrhne.
