الاحتكاك في المقياس الذري

الاحتكاك في المقياس الذري

إن دراسة منشأ الاحتكاك على المستوى الذري ـ هذه الدراسة التي أُهملت طويلا من

قبل الفيزيائيين والتي تعرف باسم نانوتريبولوجي nanotribology ـ تشير  إلى أن

قوة الاحتكاك تنشأ عن مصادر مختلفة غير متوقعة، بما في ذلك طاقة الصوت.

<J. كريم>

 

في الأسبوع الأول من الشهر 12 تنتابني حالة فزع شديدة، ليس بسبب الظلام أو رذاذ ما قبل الثلج الذي يجعلني مكتئبة، وليس بسبب عدم وجود موقف لسيارتي بالقرب من المركز التجاري خلال العطلة، بل لكون هذا الأسبوع هو موعد تقديم ملخصات البحوث للاجتماع السنوي الذي تعقده الجمعية الفيزيائية الأمريكية في الشهر الثالث (اجتماع فيزيائيي المادة المكثفةcondensed-matter)، وفي عام 1986 توصلتُ مع زميلي <A.  ويدوم> إلى تقنية تجريبية جديدة يمكنها قياس القوة الاحتكاكية لغشاء film ثخانته ذرة واحدة ينزلق على سطح صلب مستو. وكانت المشكلة تكمن في عدم تمكني من تصنيف ملخصي عن الاحتكاك في المقياس الذري ضمن الفئات الكثيرة للموضوعات التي ستعرض في اجتماع الشهر 3 من عام 1986.

 

ليس هذا لأن البحث في الاحتكاك لم يكن مدرجا ضمن جلسات الاجتماع، بل لأن معظم الفيزيائيين لم يولوا اهتماما لهذا الموضوع، حيث كان الاتجاه السائد هو ردّ منشأ الاحتكاك إلى أمر له علاقة بخشونة السطح، علمًا بأنني كنت دائما موضع ترحيب في جمعية التفريغ الأمريكية American Vacum Society المتعددة التخصصات، سواء في جلسات مناقشة الاحتكاك في المقياس الماكروسكوبي أو في المقياس النانومتري. لكن طبيعة موضوع هذه التقنية تفرض علينا بذل مجهود أكبر في الدراسة، لأن لها تأثيرات اقتصادية. (تشير معظم الدراسات والتقديرات إلى أن الاحتكاك وكذلك التخلص منه سيوفران للدول النامية 1.6% من الناتج القومي الإجمالي، ونحو 116 بليون دولار للولايات المتحدة الأمريكية فقط خلال عام 1995.)

 

إن مثل هذا الاحتكاك غالبا ما يسبب أضرارا دائمة للسطوح. ولكن الدراسات الحديثة أظهرت أن الاحتكاك يمكن أن يستمر بدرجات عالية حتى وإن لم يحدث للسطح أي اهتراء.

 

وفي الحقيقة فأنا لست الوحيدة المهتمة بهذا النوع من الدراسة، حيث شهدت الثمانينات ظهور عدة تقنيات جديدة، بما فيها تقنيتي، تمكننا من دراسة قوة الاحتكاك، إما تجريبيا: بانزلاق ذرات على قاعدة متبلورة، أو نظريا: باستعمال نماذج حاسوبية جديدة. لقد كنت أول من أطلق على هذه الدراسة اسم نانوتريبولوجي ـ أي الاحتكاك، أو التريبولوجي، وفق دراسة في هندساتgeometrics محددة تماما بالمقياس النانومتري ـ وكان ذلك في بحث نشر في الشهر 1/1991 وقد تبعني آخرون في استخدام هذا المصطلح. ومنذ ذلك الحين غدا النانوتريبولوجي تدريجيا حقلا علميا قائما بذاته بعد أن كان مجرد بدايات أساسية قام بها باحثون منعزلون.

 

ومنذ ذلك الوقت بدأ النانوتريبولوجيون، بصورة منتظمة، بالكشف عن أن الاحتكاك في المقياس الذري يختلف بشكل واضح عما تمت ملاحظته للاحتكاك الماكروسكوبي، حيث كانت الرؤية السابقة هي أن الاحتكاك يعتمد قليلا على خشونة السطح المِكروسكوبية، وفي بعض الأحيان تكون السطوح الجافة أصقل فعليا من السطوح المبللة. هذا وإن قوة الاحتكاك هي من التعقيد لدرجة أنه حتى وإن استطعنا أن نميز تماما سطح انزلاق بينيّا، فإننا لا نستطيع أن نتنبأ بدقة بمقدار الاحتكاك الذي سيحدث في هذا السطح البيني. من هذا المنطلق فإنه إذا ما حُددت بدقة علاقة التلامس المكروسكوبي للمواد المختلفة، فإن هذا سيؤدي إلى فهم أفضل للاحتكاك يقود بدوره إلى ابتكارات صناعية لتحسين المزلقاتlubricants وتحسين أجزاء الآلة المقاومة للتآكل wear-resistant.

 

ولقد قادت هذه الاعتبارات التقنية البشر إلى محاولة فهم الاحتكاك منذ ما قبل التاريخ، فمنذ أكثر من

  400000 سنة استعمل إنسان جاوه وكذلك أجدادنا في الجزائر والصين الاحتكاك عندما نحتوا الأدوات الحجرية stone tools. ومنذ  000 200سنة قبل الميلاد حقق النينديرثاليون Neanderthals سيطرة واضحة على الاحتكاك، وذلك بتوليد النار عند حَك الخشب بالخشب وطَرْقِ حجارة الفلنت flint. أما التطور المهم فقد حدث منذ نحو 5000 سنة في مصر، حيث تطلّب نقل التماثيل الحجرية الكبيرة وكذلك الكتل الحجرية الكبيرة لبناء الأهرامات تقدما تريبولوجيا في شكل المزلاجات الخشبية بعد تزييتها.

 

الكتابات الكلاسيكية

ربما بدأ علم التريبولوجي الحديث قبل 500 سنة عندما استنبط ليوناردو داڤنشي القوانين التي تحكم حركة انزلاق كتلة مستطيلة على سطح مستو (علما بأنه لم يكن لأعمال داڤنشي تأثير تاريخي؛ لأن مذكراته ظلت مئات السنين من دون نشر)، ثم أعاد الفيزيائي الفرنسي <G. أمنتون> في القرن السابع عشر اكتشاف قوانين الاحتكاك بعد أن درس الانزلاق الجاف بين سطحين مستويين.

 

إن الدراسات المبكرة للاحتكاك، التي أجراها الفيزيائي الفرنسي <A-Ch. كولوم> في القرن الثامن عشر، ساعدت على تحديد القوانين الكلاسيكية للاحتكاك، ومن جهة أخرى حاولت تفسير قوة الاحتكاك حسب خشونة السطوح، وهو أمر مرفوض الآن.

 

ساعدت قوانين أمنتون على صياغة قوانين الاحتكاك الكلاسيكية الحالية من حيث: أولا، تتناسب قوة الاحتكاك التي تقاوم الانزلاق على سطح فاصل بين جسمين تناسبا طرديا مع «الحمل الطبيعي» “normal load” أو مع القوة التي تضغط السطحين معا. ثانيا، إن قوة الاحتكاك لا تعتمد على مساحة التلامس الظاهري بين سطحين (وهذا ربما يكون عكس ما تمليه البديهة)، ثم تمت إضافة قانون ثالث ينسب إلى الفيزيائي الفرنسي <A-Ch. كولوم> (المشهور بأعماله في الكهرباء الساكنة) وذلك في القرن الثامن عشر، ينص على أن «قوة الاحتكاك تصبح مستقلة عن السرعة عندما تبدأ الحركة»، أي إنه مهما تكن السرعة التي تُدفع بها كتلة ما فإن هذه الكتلة ستعاني مقدار المقاومة نفسه نتيجة الاحتكاك.

 

وخلال فترة طويلة تعددت محاولات شرح قوانين أمنتون وكولوم الكلاسيكية بناء على قواعد أساسية مثل خشونة السطح أو الالتصاق الجزيئي (التجاذب بين الجسيمات على السطوح المتقابلة). وبحلول منتصف الخمسينات تم استبعاد خشونة السطوح كآلية محتملة لتفسير معظم حالات الاحتكاك اليومي. وكان أمرا مدهشا أن يجد صانعو السيارات وآخرون أن الاحتكاك بين سطحين يكون أحيانا أقل عندما يكون السطحان أكثر خشونة.

[انظر: by Frederic Palmer; “Friction,” Scientific American, February 1951. ]

 

إضافة إلى ذلك، يمكن أن يزداد الاحتكاك عندما يكون السطحان أكثر نعومة، ومثال ذلك أنه في حالة اللحام على البارد فإن المعادن المصقولة يلتصق بعضها ببعض بثبات أكثر.

 

وعلى الرغم من ذلك فإن الالتصاق الجزيئي كان احتمالا قويا نتيجة العمل العبقري لكل من <P .F. بوودين>، و <D. تابور> ومساعديهما في جامعة كامبريدج، حيث وجدت هذه المجموعة أيضا أن الاحتكاك، على الرغم من استقلاله عن مساحة التماس الماكروسكوبية الظاهرة كما قال أمنتون، يتناسب في الحقيقة طرديا مع مساحة التماس الحقيقية. وهذا يعني أن عدم الانتظام المكروسكوبي للسطوح يؤدي إلى تلامس بعضها ببعض ودفع أحدها نحو الآخر، وكذلك يشكل مجموع نقاط التماس منطقة التماس الحقيقية. وعلى هذا الأساس وضح نوع الرابطة الوثيقة بين الاحتكاك والالتصاق. وبعد اتضاح الرابطة الوثيقة بين الاحتكاك والالتصاق، افترضت مجموعة كامبردج أن الاحتكاك ينشأ بصورة أساسية لأن رابطة الالتصاق بنقاط التماس قوية جدا بحيث تتآكل الكسر البالغة الصغر بصورة متصلة.

 

وكان هذا التفسير خاطئا، لأنه؛ ببساطة، لا يستطيع شرح حقيقة وجود الاحتكاك في الحالات التي يكون فيها التآكل مهملا، ولقد طور <N .J. إسرائيلاشڤيلي>، الذي تقدم للحصول على الدكتوراه بإشراف تابور في عام 1970، «جهاز القوى السطحية» لقياس قيمة الاحتكاك في المقياس الذري، حيث وجد دليلا واضحا على وجود الاحتكاك من دون تآكل wear-free friction. إلا أن هذه القياسات جعلت تابور حائرا حول مصدر هذا الاحتكاك.

 

ولقد استكشف جهاز إسرائيلاشڤيلي تلامس المزلاقات بين سطوح الميكا micaالمتجانسة. كما استفاد إسرائيلاشڤيلي من حقيقة أن سطوح الميكا هي بطبيعتها ناعمة وأن شق قطعة ميكا سيترك سطحا مستويا يمتد حتى سنتيمتر مربع واحد، أي مسافة أكثر من 10 ملايين ذرة (وعلى العكس حين تُشَقُّ سطوح نموذجية فإن السطوح الناتجة تكون في حدود 20 ذرة، أما في المعادن الناعمة فإن هذه الشقوق تمتد لمسافة 300 ذرة). كذلك فإنه عندما يتلامس سطحان من الميكا، فسينشأ سطح بيني خال من الحفر pits أو النتوءات الذرية (الخشونة)asperities. ففي هذا الجهاز يتم لصق سطحي الميكا على نصفي أسطوانة متعامدين، وكلاهما يستطيع الحركة في كلا الاتجاهين في المستوى الأفقي. ولقياس مناطق التلامس وعدمه بين الأسطوانتين يرسل الباحثون حزمة ضوئية لها طول موجي واحد في الفجوة البينية وينظرون إلى الضوء الناتج الذي يسمى مخطط التداخل interference pattern، وهو مجموعة خطوط مضيئة تتخللها مجموعة خطوط مظلمة، ويشير انحراف كلا النابضين المرتبطين بنصفي الأسطوانة إلى قوة الاحتكاك.

 

ومنذ البداية سمح جهاز القوى السطحية surface – force apparatus بالتحقق من الاستنتاج الماكروسكوبي: «إن الاحتكاك يتناسب طرديا مع مساحة التماس الحقيقية.» ولكن إسرائيلاشڤيلي (يعمل الآن أستاذا بجامعة كاليفورنيا في سانتاباربارا) وزملاءه استغرقوا نحو عقدين من الزمن لتحديد أسس العلاقة المميزة بين الاحتكاك والالتصاق. ولقد اكتشف فريق عمل إسرائيلاشڤيلي أن الاحتكاك لا يرتبط بطول رابطة الالتصاق نفسها، ولكنه يرتبط بظاهرة «عدم عكسية» الالتصاق adhesive irreversibility، أي السلوك المختلف للسطوح عند التصاق بعضها ببعض مقارنة بعملية انفصالها بعد ذلك. وعلى الرغم من نجاحهم هذا فإنهم لم يتمكنوا من تحديد الآلية الفيزيائية التي تُبين ظهور الاحتكاك الذي يقيسونه.

 

في عام 1992 لخص <A .J. كرينوود>، من جامعة كامبريدج، الوضع العالمي للالتصاقات التريبولوجية بين السطوح الخشنة عندما كتب قائلا: «إذا تمكن شخص ذكي من أن يشرح لماذا يوجد الاحتكاك ولماذا يتناسب مع مساحة التماس الحقيقية، فإن مشكلتنا ستُحل. »

 

مجهر القوة الجانبية LATERAL -FORCEMICROSCOPE هو مجهر تغيرات القوة الذرية، حيث يستخدم إبرة رفيعة مثبتة على كابول. تنحرف الإبرة عندما تسحب على سطح العينة، ويشير انعكاس الضوء على الإبرة إلى درجة الاحتكاك، حيث يقاس الاحتكاك بين الإبرة والسطح. استخدم الباحثون هذا المجهر في دفع قطع من الكربون 60 فوق سطح ملحي.	جهاز القوى السطحية SURFACE -FORCESAPPARATUS يستخدم هذا الجهاز سطحي شرائح الميكا (أكثر السطوح الملساء نعومة)، حيث يضع الباحثون طبقة رقيقة من الشحم (غشاء) سماكتها بضعة جزيئات بين وجهي الميكا ثم يجعلانهما ينزلقان لرؤية كيفية تأثير هذا الغشاء في الانزلاق.	ميزان بلورة الكوارتز الحساس QUARTZ -CRYSTALMICROBALANCE يستطيع قياس الاحتكاك بين أحد أقطابه وطبقة من مادة رقيقة ذات سمك قدره ذرة أو ذرتان تم وضعها على هذا القطب. تشير التغيرات في الخواص الاهتزازية لبلورة الكوارتز إلى مقدار انزلاق الطبقة المكثفة على الوجه الذي ترتكز عليه. استُعملت المحاكاة الحاسوبية لطبقة منزلقة مثل طبقة الكريپتون السائل (الكرات البيضاء) على قمة من الذهب (الكرات الزرقاء) لتأكيد ما تم إيجاده بوساطة هذا الميزان.
جهد القص: هو مقدار القوة لكل وحدة مساحات من منطقة التماس الحقيقية اللازمة لاستمرار انزلاق جسم على جسم آخر، وهو أحد معاملات الاحتكاك، ويتم تعيينه بوساطة أجهزة عديدة. وعموما فقد سجل الباحثون قيما عملية لجهد القص تمتد حتى 12 مرتبة من الكبر، وكل ذلك في هندسات خالية من التآكل والعيوب والخشونة.

 

الاهتزارات الجيدة

وفي الثمانينات ظهر مرشح بارز لهذا الشخص الذكي الذي بشر وتحدث عنه كرينوود، ألا وهو <M .G. ماكليلاند> (من مركز بحوث المادن في الشركة IBM) حيث استنبط نموذجا بسيطا لاحتكاك خال من التآكل، معتمدا في ذلك على اهتزازات شبكات ذرية. ولم يكن ماكليلاند يعرف أن <A .G. توملينسون>، من المختبر الفيزيائي الوطني البريطاني، قد نشر هذا النموذج في عام 1929، كما أن <B .J. سوكولوف> ومساعديه من جامعة نورث إسترن سبق لهم تقديم معالجة أكثر تطورا، لكنها لم تجد اهتماما كبيرا في ذلك الوقت.

 

إن الاحتكاك المتولد من اهتزازات الشبكة البلورية يحدث عندما تتحرك ذرات قريبة من سطح ما منزلقة على ذرات من الوجه المقابل (الاهتزازات هي في الحقيقة مجرد أمواج صوتية تسمى تقنيا «فونونات»). وبهذه الطريقة فإن جزءا من الطاقة الميكانيكية اللازمة للانزلاق يتحول إلى طاقة صوتية تتحول بدورها في نهاية الأمر إلى حرارة. وللاستمرار في الانزلاق يجب أن تُضاف طاقة ميكانيكية أخرى وعندئذ تتم عملية الدفع بطريقة أصعب.

 

ويعتمد مقدار الطاقة الميكانيكية التي تتحول إلى أمواج صوتية على طبيعة المواد المنزلقة، إن الأجسام الصلبة تشبه كثيرا الآلات الموسيقية، وبالتالي فهي تستطيع أن تهتز بترددات frequencies رنينية، وهكذا فإن كمية الطاقة الميكانيكية المستهلكة ستعتمد على الترددات المتولدة فعليا. فإذا تساوى تردد فعل «نقر»plucking ذرات في أحد الوجهين مع أحد ترددات السطح الآخر فسيتولد احتكاك، ولكن إذا لم يتساو فعل النقر مع أحد ترددات الوجه الآخر فإن الأمواج الصوتية لا تتولد. وهذا يقود إلى الاحتمال المثير بأن الأجسام ذات الحجم الصغير بدرجة كافية والتي تتميز بعدد قليل من الترددات الرنينية يمكنها الانزلاق من دون احتكاك تقريبا.

 

على كل حال، فإن ماكليلاند كان متأثرا ليس بحقيقة الانزلاق من دون احتكاك فقط بل كان متأثرا كذلك بأن الانزلاق من دون احتكاك يمكن إثباته نظريا، مما دعاه إلى التعاون مع زميله <C. ماثيوماتي> وآخرين. قامت هذه المجموعة بعمل مواءمة (تكيّف) لآلة مبتكرة حديثة لقياس الاحتكاك بالمقياس النانومتري، وأطلق على هذه الآلة اسم مجهر القوة الذرية atomic-force microscope. وتمكنوا بذلك من نشر ملاحظاتهم الأولية عن الاحتكاك بوساطة هذا المجهر الذي تم من خلاله قياس احتكاك ذرة بذرة، وذلك في عام 1987 حيث كان هذا الاكتشاف نقطة تحول كبرى.

 

نقاط التماس هي الأمكنة التي يحدث فيها الاحتكاك بين سطحين خشنين ينزلق أحدهما على الآخر كما في الشكل العلوي. فإذا ازدادت قوة ضم السطحين معا «الحمل الطبيعي» فإن المنطقة الكلية تزداد كما في الشكل السفلي. وفي هذه التجربة تم التوصل إلى أن الزيادة في منطقة التماس الكلية هي العامل الأساسي الذي يحكم درجة الاحتكاك وليست خشونة السطح.

 

يتكون مجهر القوة الذرية من طرف حاد tip مثبت على نهاية كابول cantilever، فعندما تقوم هذه الأطراف بعمل مسح احتكاكي لسطح العينة فإن القوى المؤثرة في الأطراف تؤدي إلى انحراف الكابول، وباستعمال وسائط كهربائية وضوئية متنوعة (السعة والتداخل) تتم الانحرافات الأفقية والرأسية. ويستطيع هذا المجهر أن يحدد قوى الاحتكاك وقوى الالتصاق وكذا حمولة خارجية صغيرة في حدود پيكونيوتن ـ يساوي  ^12-10 نيوتن (بشكل غير دقيق تماما، فإن نسبة الپيكونيوتن إلى وزن الذبابة كنسبة وزن الذبابة إلى وزن إنسان متوسط). وفي بداية التسعينات تقريبا صنع باحثو الشركة IBM مجهر قوة الاحتكاك في حالة التفريغ فوق العالي ultra-high vacuums، مما سمح لهم بدراسة انزلاق طرف مصنوع من الألماس فوق سطح من الألماس المتبلور في منطقة تماس امتدادها أقل من 20 ذرة.

 

أظهرت نتائج قياسات ماكليلاند وزملائه لقوى الاحتكاك عدم وجود علاقة بين الاحتكاك والحمل الطبيعي. ووفقا لقوانين الاحتكاك الكلاسيكية تعني هذه النتائج أن الاحتكاك معدوم، كما أن هذه القياسات كانت تتعامل ليس فقط مع الاحتكاك بل وأيضا مع جهد القص أو القوة الهائلة في كل المنطقة اللازمة لاستمرار الانزلاق (هذه القوة الجديدة كانت قيمتها نحو بليون طن على كل متر مربع أو 150000 باوند/بوصة مربعة، وهي قوة كبيرة جدا لدرجة أنها تكسر فولاذا عالي الرتبة.) ويصبح واضحا أنه حتى لو عُرِفت تماما الطبيعة الذرية لتماس الانزلاق فإن قدرتنا على التنبؤ بقوة الاحتكاك الحادث في هذا التماس تصبح، عمليا، معدومة.

 

تحدث التفاعلات الكيميائية بين سطحين منزلقين عند وضع مادة الإيثان بين سطحين من الألماس (ينتهي جزيئه بذرة هيدروجين). إن ذرات الإيثان تتركب من ذرتين من الكربون (أخضر) و6 ذرات من الهيدروجين (الأزرق) كما في الشكل 1. فإذا ما انزلقت سطوح الألماس يفقد الإيثان ذرة هيدروجين متحولا إلى جزيء إثيل أساسي كما في الشكل 2. ثم تقتلع ذرة الهيدروجين ذرة من الألماس وترتبط بها مكونة جزيئا من غاز الهيدروجين كما في الشكل 3. وأخيرا يرتبط الإثيل الأساسي كيميائيا بأحد سطحي الألماس كما في الشكل 4. يعتمد هذا النموذج على محاكاة حاسوبية نفذتها الباحثة <A .J. هاريسون> مع مساعديها في الأكاديمية البحرية للولايات المتحدة.

 

أما الآن: فقد لاحظ جميع النانوتريبولوجيين أنه يوجد مجال ملحوظ لجهود القص تبدأ من 0.01 نيوتن إلى 10 بلايين نيوتن/ متر مربع. وكمثال على ذلك فقد قام <R. لوثي> و <E. مير> ومساعدوهما، من معهد الفيزياء بجامعة بازل، بدفع قطع من مادة «فولورين بوك منستر»buckminsterfullerene (كرات كسارة الرخام أو كربون 600) ذات سمك قدره جزيء واحد فوق سطح ملح متبلور، ولقد تم تحديدها بوساطة مجهر قوة ذرية ذي طرف عرضه نحو ذرة واحدة. أوجدت هذه المجموعة قيم جهد القص في المدى الذي يقع ما بين عشرة آلاف ومئة ألف نيوتن/متر مربع، وهذه القيم أصغر من القيم الماكروسكوبية التي تنتج في حالة مزلق صلب عادي كمسحوق الگرافيت. (يظهر جهد القص كبيرا فقط لأنه يُقاس على متر مربع من منطقة التماس الحقيقية لا الظاهرة، والأولى تكون بشكل عام ذات قيمة أصغر من قيمة منطقة التماس الظاهرة، فعندما يستعمل الگرافيت لتسهيل الانزلاق على أسطوانة نجد أن منطقة التماس الظاهرة تكون صغيرة لدرجة أن الاحتكاك الفعلي سيكون صغيرا نوعا ما.) ولقد قاس الباحثون أيضا القوة اللازمة لزلق طرف مدبب على قمة قطعة كرة الرخام ووجدوا أنها أشد التصاقا من الملح المتبلور.

 

لقد أمكن في مختبري تحديد جهود القص في مراتبها الدنيا⁽¹⁾ وذلك بوساطة ميزان بلورة الكوارتز الحساس quartz crystal microbalance، الذي استعمل، لعدة عقود، لوزن عينات خفيفة في حدود بضعة نانوغرامات. يتألف هذا الميزان الحساس من بلورة أحادية من الكوارتز تهتز بانتظام بترددات عالية (من 5 إلى 10 ملايين مرة في الثانية). لقد وضعنا قطبين على هيئة غشاء معدني على سطوح البلورة، ومن ثم قمنا بتكثيف أغشية سمكها ذرة واحدة من مواد مختلفة على كل من القطبين. وتبيَّن أن تكاثف الأغشية على الميزان الحساس يقلل من تردد البلورة مما يسمح بقياس كيفية تتبع جسيمات الغشاء اهتزازات قاعدة الكوارتز الأساسية، فكلما كانت سعة الاهتزاز صغيرة كان الاحتكاك أكبر من حك الغشاء المنزلق على القاعدة.

 

إن ميزان الكوارتز الحساس هو الأداة التجريبية الوحيدة التي تعمل الآن في فترة زمنية قصيرة لرؤية كيفية اعتماد الاحتكاك في المقياس الذري على السرعة. مع أن القانون الثالث للاحتكاك يُقرر بأن الاحتكاك لا يعتمد على السرعة، ولقد وجد الباحثون أخيرا أن هذه القاعدة غير صحيحة (لقد شَك كولوم كثيرا في ذلك ولكنه لم يستطع إثباته.) وكمثال على ذلك نجد أنه لتخفيف سرعة سيارة بشكل منتظم وإيقافها من دون هز عنيف، على السائق أن يستعمل المكابح بسهولة في اللحظات الأخيرة معتمدا على أن الاحتكاك يزداد عند السرعة المنخفضة. وتعتمد علاقات السرعة الظاهرية غالبا على التغيرات في نقاط التماس المكروسكوبية (والتي يمكنها أن تتلاشى عند سرعات انزلاق كبيرة وتزداد في منطقة السرعات المنخفضة، لأنها تندفع ببطء وبالتالي سيكون لها وقت كاف لتشكيل روابط.) ولكن لوضع هندسي تظل فيه مساحة التماس ثابتة، مثل ميزان الكوارتز الحساس، فإن الاحتكاك يظهر سلوكا عكسيا إذ إنه يزداد طرديا مع قيمة سرعة الانزلاق. وحديثا تم تأكيد هذه المشاهدة عمليا لغشاء مادة صلبة سمكه ذرة واحدة، ينزلق على سطوح فضة أو ذهب متبلور.

 

الانزلاق على السطوح الجافة

لم تتنبأ النظريات التحليلية باكتشافنا المدهش في عام 1989، وهو المتعلق بأن أغشية الكريپتون تنزلق على سطوح الذهب المتبلور بصورة أكثر عندما تكون هذه السطوح جافة. ولقد لاحظنا أن قوى الاحتكاك في الأغشية السائلة أكبر بنحو خمس مرات منها في الأغشية الصلبة ذات جهد القص الذي يقل عن 0.5 نيوتن/متر مربع عند سرعات انزلاق قدرها 1سنتيمتر/ثانية. كانت هذه النتيجة عكس ما توقعتُ حتى إنني تمهلت في نشر هذه النتيجة أكثر من عام بعد اكتشافها.

 

لماذا تُسبب طبقة سائل احتكاكا أكبر في المقياس الذري في حين إنها تُسهّل الانزلاق في الاستخدامات اليومية؟ لقد قدمت الدراسات الحسابية الإجابة الحاسمة، كما فتحت نافذة نادرة على السلوك الجزيئي الذي لا يمكن الوصول إليه بأية طريقة أخرى. فلقد طرق عدة باحثين مجالات جديدة في النانوتريبولوجيا بوساطة الحاسوب، ومنهم <U. لاندمان> (من معهد جيورجيا للتقانة)، الذي كان طليعيا في محاكاة نقاط التماس، و <A .J. هاريسون> من الأكاديمية البحرية للولايات المتحدة الذي وضع نموذجا للتأثيرات الكيميائية، و<J. بيلاك> من مختبر لورنس ليڤرمور القومي الذي قام بتحليل صُنع المكنات والتآكل.

 

تصنع الأطراف شبه الألماسية المدببة من الكربون (الأزرق) والهيدروجين (الأصفر)، فإذا انزلق هذا الطرف على سطح من الألماس مصنوع من الكربون (الأخضر) وينتهي بذرات هيدروجين (الأحمر) فإن تشويها لكل من الأطراف المدببة وكذلك السطوح الألماسية سيحدث ولكن لا يتم أي تفاعل كيميائي. ويمكن لمحاكاة حاسوبية أن تساعد في كيمياء ـ الاحتكاك أو في دراسة التفاعلات المتولدة من الاحتكاك.

 

كان <O .M. روبنز> ومساعدوه في جامعة جونز هوپكنز أول من أجاب عن سؤال احتكاك السائل عندما قاموا بمحاكاة انزلاق أغشية الكريپتون السائل الذي سماكته ذرة واحدة على سطوح ذهب متبلور، حيث بينوا أن ذرات الكريپتون السائل الأكثر حركية من ذرات الكريپتون الصلب تستطيع أن تلتصق بسهولة أكثر في الفجوات بين ذرات الذهب ذي الصلابة العالية، كما لاحظت هذه المجموعة أن القص الحاصل بين المادة الصلبة وسطح السائل يختلف عن الحالات الماكروسكوبية للتزييت بالسائل، حيث إن القص الحاصل داخل كتلة السائل (أي على السطح البيني سائل ـ سائل) يُبدي مقاومة أقل من القص عند السطح البيني سائل ـ مادة صلبة.

 

إن التوافق شبه التام بين نموذج روبنز ونتائجنا واضح ومدهش، لأنه نَسب جميع الاحتكاك في حساباته إلى اهتزازات الشبكة البلورية (أمواج صوتية)، مع العلم أن روبنز كان قد أهمل الاحتكاك الناتج من التأثيرات الكهربائية. ففي السطوح العازلة كهربائيا يكون الاحتكاك ناتجا من تجاذب شحنات كهربائية موجبة وأخرى سالبة على جانبي سطح التلامس (يحدث تجاذب مماثل عند دلْكِ بالون بالشعر وتركه يلتصق بالجدار)، وعندما يكون أحد أو كلا سطحي التماس معدنا فإن ظهور الشحنات لن يكون كبيرا. فقد اقترح <M. پيرسون> من جامعة شالمر للتقانة في كوتنبرگ بالسويد ظهور نوع آخر من الاحتكاك الإلكتروني، والذي بُحث كثيرا من قبل <J .N .B. پيرسون>، من مركز أبحاث جوليش في ألمانيا، حيث وجد أن هذا الاحتكاك يتعلق بالمقاومة التي تواجهها الإلكترونات المتحركة داخل المادة المعدنية عندما تنجرف على طول الوجه المقابل.

 

وحاليا يعرف الفيزيائيون هذا النوع من الاحتكاك، لكنهم لا يعرفون مدى أهميته (فلماذا تقوم أجسام صلبة صغيرة بالانزلاق من دون احتكاك تقريبا بدلا من الانزلاق من دون احتكاك تماما). إن نجاح النموذج الحسابي لروبنز وزملائه يعني أن التفاعلات الإلكترونية لا تؤدي دورا مهما في الاحتكاك.

 

ولبحث هذا الموضوع أجرينا قياسات حديثة لتعيين قيمة القوة اللازمة لانزلاق غشاء صلب سمكه ذرة واحدة أو ذرتان من الكزينون على طول سطح فضة متبلور، ولاحظنا أن الاحتكاك يزداد بنسبة 25% في حالة غشاء كزينون سمكه ذرتان.

 

فهل تأتي زيادة الـ 25% هذه من التفاعل الإلكتروني؟ من المحتمل أن يكون الجواب بالنفي. فقد قام كل من <B. پيرسون> و روبنز و <R. سوكولوف> بإجراء محاكيات حاسوبية مستقلة لنظام فضة ـ كزينون، وكانت نتائجهم الأولية المحسوبة تشير إلى أن الاحتكاك الذي يرافق أمواجا صوتية يكون أكبر في حالة طبقتين مما إذا كان في حالة طبقة واحدة. وبشكل أساسي، فإن حالة طبقتين تقترب من تشكيل «آلة موسيقية» متقنة، حيث توجد ترددات رنينية (تجاوبية) أكثر وبالتالي يكون الاحتكاك أكبر. لا شك أن الاحتكاك الإلكتروني موجود ولكن قيمته الكبيرة تحددها تلك الذرات التي تجاور السطح البيني فقط. كذلك يمكن حجب المعاملات التي اختيرت لإظهار السطوح المعدنية في تلك المحاكاة، فكلما زادت وتطورت الجهود النظرية والمحاكاتية، سنستطيع بدقة تحديد مقدار فقدان الطاقة التي ترافق التفاعلات الإلكترونية واهتزازات الشبكة البلورية.

 

إعادة صياغة قواعد الاحتكاك

يبين التقدم الحديث في النانوتريبولوجي، بوضوح، أن قوانين الاحتكاك الماكروسكوبي غير قابلة للتطبيق على المقياس الذري، لذا فإننا نستطيع الآن إعادة كتابة قوانين الاحتكاك بطريقة أكثر شمولية كالآتي: أولا: تعتمد قوة الاحتكاك بين سطحين على سهولة التصاقهما أو عدمه، وهذا يتناسب مع درجة «عدم عكسية» القوة التي تضغط السطحين معا أكثر من اعتمادها على شدة القوة. ثانيا: إن قوة الاحتكاك تتناسب مع منطقة التماس الحقيقية وليس مع منطقة التماس الظاهرية، وأخيرا فإن قوة الاحتكاك تتناسب طرديا مع سرعة انزلاق السطح البيني على نقاط التماس الحقيقية، مادامت السطوح البينية لا تسخن وسرعة الانزلاق أصغر من سرعة الصوت (قريبا من هذه السرعة يختل التساوي لأن اهتزازات الشبكة البلورية لا تستطيع نقل الطاقة الصوتية بسرعة كافية.)

 

إن التناقض بين ظواهر الاحتكاك الماكروسكوبية والمكروسكوبية يتضاءل بشدة إذا لاحظنا منطقة التماس الحقيقية، والتي تتناسب مع قوة ضم السطحين المنزلقين تناسبا طرديا، فكلما زادت قوة الضغط زادت منطقة التماس. وهكذا يبدو أن الاحتكاك يتناسب مع الحمل الطبيعي كما عرضه أمونتون سابقا.

 

ما الذي حدث لخشونة السطوح؟ وفقا لما سبق يبدو أن أهميتها تتضاءل. افترض الفيزيائيون أن عدم انتظام السطح يؤدي دورا في الاحتكاك سواء كان انزلاقا أو التصاقا، حيث ينزلق فيها أحدهما على الآخر: التصاقا لحظيا ثم يتابع، وكمثال على ذلك صرير مكابح سرعة القطار وحركة أظافر الأصابع على الألواح. لهذا كان الاعتقاد بأن الخشونة هي التي تسبب الطبيعة العشوائية لكل من الالتصاق والانزلاق. لكن <S. گرانيك> وزملاءه من جامعة إيلينويز، لاحظوا حديثا أن الاحتكاك «انزلاق ـ التصاق» في تماسات مزلقة (مزيتة) بين سطوح يمكن اعتبارها ميكا «تامة». ولقد طبقوا، لعدة ملايين من المرات، قوة متغيرة دورية (جيبية) على سائل محتجز من دون تآكل، ولاحظوا النتائج التي تشير إلى أن العشوائية (بالتحديد المسماة «ضجيج» والتي تقدر قيمتها بـ (1/التردد الرنيني)) يمكن أن تكون جوهر الاحتكاك «انزلاق ـ التصاق. »

 

وحاليا، فإن جميع البيانات المتدفقة لتصنيع المكونات ذات الأبعاد الصغيرة جدا للآلات تعتبر بحثا أساسيا في المقياس الذري، يمكنه أن يفتح مستقبلا طريقا للتطبيق المباشر. وكمثال على ذلك فنحن نعلم حاليا لماذا تكون المواد المصنعة من جزيئات على شكل سلسلة متفرعة أكثر زلقا من جزيئات على شكل سلسلة مستقيمة، لدرجة أن جزيئات سلسلة متفرعة متجمعة في كتلة تكون أكثر لزوجة (تبقى سائلة تحت قوى أكبر منها في حالة الجزيئات المتجمعة في سلاسل مستقيمة، وبذلك تكون أكثر قدرة على منع تماس سطحين صلبين.) وسيساعد النانوتريبولوجيون العاملون في فروع الهندسة يوما ما الكيميائيين على فهم الاحتكاك المحسوس للتفاعلات التي تظهر على السطوح، أو علماء المواد في هدفهم لتصميم مواد تقاوم التآكل. وعندما تصبح الحاجة أكبر إلى المحافظة على الطاقة وعلى المواد الخام فإنه يتوقع أن يسارع الفيزيائيون لفهم أسس عمليات الاحتكاك.

 

 المؤلفة

Jacqueline Krim

أستاذة الفيزياء في جامعة نورث إيسترن وعضوة دائمة في مركز البحوث الدقيقة للنظم المعقدة التابع لها. حصلت كريم على الإجازة في العلوم من جامعة مونتانا والدكتوراه من جامعة واشنطن. فازت بجائزة الباحثين الشباب من المؤسسة الرئاسية القومية للعلوم NSF في عام 1987 وجائزة الإبداع في بحوث المواد 1992. ترأست المجلس القومي لأمناء جمعية التفريغ الأمريكية، وهي حاليا عضو في المجلس التنفيذي بقسم علوم السطوح. وتشكر المؤلفة المؤسسة NSF لدعمها المستمر لأبحاثها.

 

مراجع للاستزادة 

HISTORY OF TRIBOLOGY. D. Dowson. Longman, London, 1979.

FUNDAMENTALS OF FRICTION: MACROSCOPIC AND MICROSCOPIC PRC GESSES. Edited by I. L. Singer and H. M. Pollock. Kluwer; 1992.

HANDBOOK OF MICRO/NANOTRIBOLOGY. Edited by B. Bhushan. CRi Press, 1995.

NANOTRIBOLOGY: FRICTION, WEAR AND LUBRICATION AT THE ATOMI SCALE. B. Bhushan, J. N. Israelachvili and U. Landman in Nature, Vo 374, pages 607-616; April 13, 1995.

PHYSICS OF SLIDING FRICTION. Edited by B.N.J. Persson and E. Tosatt Kluwer, 1996.

Scientific American, October 1996

 

(1) Shear stresses of lower order of magnitudes