Научные открытия в микро- и нанотрибологии и гелиевое изнашивание. Физика трибоплазмы

Открытием в области естественных наук признается установление явлений, свойств, законов (закономерностей) или объектов материального мира, ранее не установленных и доступных проверке.

«Потери от трения и износа в развитых государствах достигают 5 ... 6 % национального дохода, а преодоление сопротивления трения поглощает во всем мире 20...25 % вырабатываемой в год энергии.

Повышение экономически и экологически целесообразной долговечности и надежности машин, технологического оборудования и инструмента непосредственно связано с повышением износостойкости. Решение этой актуальной задачи возможно только на базе глубоких научно обоснованных знаний.

Управление трением, правильный выбор материалов по критериям трения и износостойкости, рациональное конструирование узлов трения и деталей машин и оптимизация условий эксплуатации могут существенно продлить срок жизни и повысить эффективность машин, снизить вредные экологические воздействия при незначительном увеличении их стоимости» [9].

В. И. Колесников (акад. РАН и РИА), Ю.М. Лужнов (акад. МИА), А.В. Чичинадзе (акад. РИА и МИА) считают, что «… форсирование исследований в области микро- и нанотрибологии …» относится на сегодняшний день «… к основным и актуальным разделам и направлениям трибологии и ее инженерному приложению – триботехнике» [9].

Деятельность Псковского регионального представительства НОР базируется на работе «Учебно-научного Центра инновационной нанотрибологии «УНЦ ИН ППИ» Псковского государственного политехнического института. На основании решения Ученого совета 28 мая 2007 года (Протокол №11) приказом ректора №94 от 29 мая 2007 года создан «Учебно-научный Центр инновационной нанотрибологии «УНЦ ИН ППИ») как структурное подразделение института в составе механико-машиностроительного факультета.

О деятельности Учебно-научного Центра можно, в частности, судить по информации изложенной в статье «Научные открытия в микро- и нанотрибологии», опубликованной в журнале «Трение и смазка в машинах и механизмах», №4, 2008 г. и статье «Холодный ядерный синтез и научные открытия в микро- и нанотрибологии», опубликованной в альманахе «Деловая слава России», №1, 2009 г.

В активе «УНЦ ИН ППИ» четыре научных открытия (Дипломы на научные открытия №258 [1], №277 [2], №289 [3], №302 [4]).

Научное открытие (Диплом №258)

«Закономерность аддитивности упругого последействия

в объемных частях и поверхностных слоях пар трения».

«Установлена неизвестная ранее закономерность аддитивности упругого последействия в объемных частях и поверхностных слоях пар трения, заключающаяся в том, что в упругой и пластической областях твердых тел, зоне их фрикционного контакта происходит суммирование (аддитивность) упругих и пластических последействий, вызывающих изменение фрикционных связей, физико-механических характеристик материала и пространственного положения пары трения, обусловленная направленным пермещением дислокаций в упругой и пластической областях пар трения».

Этот процесс (рис. 1) сопровождается, в частности, механоэмиссионными и механохимическими процессами, химическими реакциями, газоразрядными процессами, синтезом некоторых веществ, а также возникновением частиц с большой энергией, возбужденных молекул, атомов, ионов, быстрых электронов, фононов (звуковых квантов), фотонов (квантов электромагнитного излучения).

Рис. 1. Модель магмы-плазмы. 1 - исходная структура; 2- расплавленная структура; 3 - плазма; 4 - электроны трибоэмиссии, 5 – атомы, фотоны, фононы, ионы, возбужденные молекулы, быстрые электроны.

Научное открытие (Диплом №277)

«Закономерность аддитивности магнитного последействия в объемных частях

и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных материалов».

«Установлена неизвестная ранее закономерность аддитивности магнитного последействия в объемных частях и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных материалов, заключающаяся в том, что в упругой и пластической областях твердых тел в зоне их фрикционного контакта происходит суммирование (аддитивность) магнитных последействий, сопровождающих упругие и пластические последействия, определяющая поведение водорода (интенсивную диффузию, накачку, молизацию и взаимодействие с другими элементами) и обусловленная направленным перемещением дислокаций, несущих водород в зону фрикционного контакта из упругой и пластической областей пары трения и влияющих на структуру и подвижность доменных стенок».

В издательстве «Машиностроение» в 2007 г. вышла книга [10] доктора технических наук, профессора Ю.И. Головина «Введение в нанотехнику», в которой целый раздел посвящен нанотрибологии.

«Вполне естественно желание понять природу наноконтактных процессов, трения и износа на более фундаментальном уровне. Первый шаг в этом направлении — перейти к рассмотрению отдельных микро- или наноконтактов, а затем путем интегрирования (или усреднения) по поверхности - к макроразмерам. Такой подход требует нанометрового разрешения в эксперименте и стал доступен в последние годы в результате развития техники наноиндентирования и наноскрабирования».

После этого исследования трения и износа перешли на качественно иной уровень, и возникла серия новых вопросов. В какой связи находятся характеристики макроскопического, наноскопического и атомарного трения между собой? Как объяснить и спрогнозировать характеристики макротрения, исходя из фундаментальных знаний свойств взаимодействующих атомов и микротопологии поверхности?

Наконец, как управлять внешним трением на основе этих знаний, т.е. создавать пары с большим трением и диссипацией энергии (например, для тормозящих узлов, фрикционов, муфт сцепления и т.д.) или, напротив, - с малым (для подшипников скольжения, направляющих и т.д.).

При этом в последнем случае желательно найти условия, в которых трение упало бы до нуля и реализовалось «сверхскольжение», аналогичное сверхпроводимости или сверхтекучести. Принципиальных препятствий для этого не существует, и в некотором смысле такие режимы уже найдены...» [10].

Научное открытие (Диплом №289)

«Закономерность аддитивности диффузионного магнитного последействия

в объемных частях и поверхностных слоях пар трения

из ферромагнитных материалов и сплавов».

«Установлена неизвестная ранее закономерность аддитивности диффузионного магнитного последействия в объемных частях и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных материалов и сплавов, заключающаяся в том, что в упругой и пластической областях твердых тел в зоне их фрикционного контакта происходит суммирование (аддитивность) диффузионных магнитных последействий, сопровождающих упругие и пластические последействия, определяющая поведение внедренных атомов углерода и азота и обусловленная направленным перемещением дислокаций, несущих внедренные атомы углерода и азота в зону фрикционного контакта из упругой и пластической областей пары трения и влияющих на структуру и подвижность доменных стенок».

Следовательно, решена задача – найдены «… условия, в которых трение упало бы до нуля и реализовалось «сверхскольжение», аналогичное сверхпроводимости или сверхтекучести …» – создана трибофизическая модель на основе реализации углеродно-азотного цикла, в результате которого водород превращается в гелий.

1. 
   ₁₂С+₁Н₁₃N+
   
2. 
   ₁₃N₁₃С+₊+
   
3. 
   ₁₃С+₁Н₁₄N +
   
4. 
   ₁₄N+₁Н₁₅О+
   
5. 
   ₁₅О₁₅N +₊+
   
6. 
   ₁₅N +₁Н₁₂С+₄Не
   

Протон, сталкиваясь с ядром углерода, превращается в радиоактивный изотоп ₁₃N. При этой реакции излучается -квант (фотон). Изотоп ₁₃N, претерпевая -распад с испусканием позитрона и нейтрино, превращается в обычное ядро азота ₁₄N. При этой реакции так же излучается -квант. Далее, ядро азота сталкивается с протоном, после чего образуется радиоактивный изотоп кислорода ₁₅О и -квант. Затем этот изотоп путём -распада превращается в изотоп азота ₁₅N. Наконец, последний, присоединив к себе во время столкновения протон, распадается на обычный углерод и гелий. Вся цепь реакций представляет собой последовательное «утяжеление» ядра углерода путём присоединения протонов с последующими ₊-распадами. Последним звеном этой цепи является восстановление первоначального ядра углерода и образование нового ядра гелия за счёт четырёх протонов, которые в разное время один за другим присоединились к ₁₂С и образующимся из него изотопам.

В последние годы получены многочисленные экспериментальные свидетельства ядерных реакций при низких энергиях (ядерных реакций в конденсированных средах, холодном ядерном синтезе – ХЯС). Под «холодным ядерным синтезом», который теперь предлагается заменить на термин «ядерные процессы, индуцированные кристаллической решеткой», понимаются аномальные с точки зрения вакуумных ядерных столкновений, стохастические низкотемпературные ядерные процессы (слияние ядер с выделением нейтронов), существующие в неравновесных твердых телах, которые стимулируются трансформацией упругой энергии в кристаллической решетке при фазовых переходах, механических воздействиях, сорбции или десорбции водорода (дейтерия). ХЯС достоверно зафиксирован в целом ряде физических и физико-химических процессов с участием дейтерия. Многие из таких процессов, но с участием природного водорода, имеют место и в естественных процессах. К их числу можно отнести: явление сорбции-десорбции водорода в металлах, окислительно-восстановительные воздействия на соединения водорода, механическое разрушение и измельчение водородосодержащих пород.

Однако, до сих пор не создано удовлетворительной количественной и даже качественной теории ХЯС, имеющего принципиальное значение, как для фундаментальной науки, так и, практического использования.

Научное открытие (Диплом №302)

«Закономерность аддитивности водородного магнитного последействия

в объемных частях и поверхностных слоях пар трения

из ферромагнитных материалов и сплавов».

«Установлена неизвестная ранее закономерность аддитивности водородного магнитного последействия в объемных частях и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных металлов и сплавов, заключающаяся в том, что в упругой и пластической областях твердых тел в зоне их фрикционного контакта происходит суммирование (аддитивность) водородных магнитных последействий, сопровождающих упругие и пластические последействия, обусловленная направленным перемещением дислокаций, несущих водород в зону контакта».

1. 
   ₁Н+₁Н ₂D+₊+
   
2. 
   ₂D+₁Н₃Не+
   
3. 
   ₃Не+₃Не₄Не+2₁Н
   

Академик Б.В. Дерягин с сотрудниками в 1985 г. обнаружил явление механоэмиссии нейтронов из содержащих дейтерий кристаллических тел, которое в своей публикации 1985 года интерпретировали как проявление реакций холодного ядерного синтеза.

В 90-е годы сотрудники Б.В. Дерягина предложили гипотезу о том, что в веществах с водородными связями на одной водородной связи могут оказаться два ядра атомов водорода при расстоянии между ними менее одного ангстрема. Туннелирование дейтронов сквозь столь узкий барьер может происходить с большой вероятностью и при низких температурах.

Согласно современным представлениям, протон и нейтрон представляют собой два состояния одной частицы – нуклона. То есть протон становится нейтроном, присоединив электрон, а нейтрон – протоном, отдав электрон другому протону, который, в свою очередь, превращается в нейтрон.

Изменение представления о механокалорическом эффекте на основе научных открытий может быть использовано при создании конкурентоспособных технологий в области водородной энергетики, криогенной и космической техники за счет учета дополнительного тренда выходных параметров вследствие аддитивности упругого последействия, аддитивности магнитного последействия, аддитивности диффузионного магнитного последействия, аддитивности водородного магнитного последействия в объемных частях и поверхностных слоях пар трения.

В 1908 г. нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес получил жидкий гелий. Он обнаружил, что гелий имеет два состояния. Первое состояние - это нормальное, называемое гелий-I. Оно существует до температуры 2, 19 К, ниже его модификация меняется. Оставаясь жидким, гелий переходит в состояние называемое гелий-II. В 1911 г. Камерлинг-Оннес совершенно неожиданно обнаружил, что при температуре жидкого гелия сопротивление ртутного проводника внезапно снижается в миллионы раз и практически исчезает. Это странное явление получило название сверхпроводимость. Открытие Камерлинг-Оннеса произвело большое впечатление на ученых, и уже в 1913 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике.

Удивительные свойства жидкого гелия теоретически объяснил Л.Д. Ландау. Кратко это объяснение сводится к следующему: в гелии-II так мало квантов тепла, что на все его частицы их не хватает, и образуются как бы две жидкости, одновременно существующие: нормальный гелий, каждая частица которого несет на себе квант тепла, и сверхтекучий гелий, у частиц которого нет квантов тепла. Сверхтекучая часть гелия как бы находится при абсолютном нуле температуры; она не обладает вязкостью, и поэтому обе жидкости могут двигаться друг в друге без трения. Л.Д. Ландау первый сопоставил два «странных» явления, сверхпроводимость и сверхтекучесть - течение жидкого гелия-II без трения через узкие капилляры, и предположил, что они родственны. Сверхпроводимость-сверхтекучесть весьма своеобразной жидкости - электронной. Созданная Л.Д. Ландау теория сверхтекучести и представление о гелии-II как о слабовозбужденной квантовой системе оказались весьма плодотворными для физической теории. За это достижение Л.Д. Ландау был удостоен в 1962 г. звания лауреата Нобелевской премии по физике.

1. Имея в виду то, что тела, взаимодействующие в микроэлектромеханических и наноэлектромеханических системах, как миниатюрные телероботы, микроспутники, микроприборы, нанокомпьютеры, микросенсорные устройства, микрозеркала, микрооптоэлектронные приборы, микрорефрижераторы, химические и биохимические микрореакторы и другие, очень малы, а удельные нагрузки на наноконтактах так велики, что трибологические процессы в значительной степени определяются атомно-молекулярным взаимодействием контактирующих поверхностей, представляется актуальным создание материалов на основе научного открытия (Диплом №289) для пар трения с гелиевым изнашиванием с возможностью подавления водородного изнашивания на основе реализации углеродно-азотного цикла (эффекта) в зоне трения, а также обеспечения управления трением за счет сверхтекучести гелия в микро- и нанотрибосистемах.

2. Создание нанотехнологий и нового класса приборов микроэлектромеханических и наноэлектромеханических систем на основе научных открытий (Дипломы №258, №277, №289, №302) даст на наш взгляд новые конкурентоспособные результаты, в частности, за счет создания и использования пар трения с гелиевым изнашиванием (Диплом на научное открытие №289).

3. Использование водорода в качестве топлива в автомобильном двигателе, а также развитие водородной энергетики актуализирует создание материалов на основе научного открытия (Диплом №289) для пар трения с гелиевым изнашиванием в трибосистемах с возможностью подавления водородного изнашивания на основе реализации углеродно-азотного цикла (эффекта) в зоне трения, в результате которого водород превращается в гелий.

4. Трибологические эффекты (трибоэмиссия, триболюминисценция, трибоэлектричество и др.), возникающие при взаимодействии наноконтактов при трении, можно целенаправленно использовать не только изучения холодного ядерного синтеза, но и для получения в перспективе неиссякаемого источника экологически чистой энергии на основе синтеза из более легкого водорода более тяжелого гелия.

Литература

1. 
   Научное открытие (Диплом № 258) // Закономерность аддитивности упругого последействия в объемных частях и поверхностных слоях пар трения / Г.С. Ивасышин. - М: РАЕН., МААНОиИ, 2004.
   
2. 
   Научное открытие (Диплом № 277) // Закономерность аддитивности магнитного последействия в объемных частях и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных материалов / Г.С. Ивасышин. - М.: РАЕН., МААНОиИ, 2005.
   
3. 
   Научное открытие (Диплом № 289) // Закономерность аддитивности диффузионного магнитного последействия в объемных частях и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных материалов и сплавов / Г.С.Ивасышин.- М.: РАЕН МААНОиИ, 2005.
   
4. 
   Научное открытие (Диплом № 302) // Закономерность аддитивности водородного магнитного последействия в объемных частях и поверхностных слоях пар трения из ферромагнитных материалов / Г.С. Ивасышин. – М.: РАЕН., МААНОиИ, 2006.
   
5. 
   Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. – М.: Машиностроение, 1977, -526с.
   
6. 
   Thiessen Р.A., Meyer К., Heinicke G. Grundlagen der Tribochemie. - Berlin: Academie-Verlag,1967, 267 s.
   
7. 
   Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. – М.: Советская энциклопедия, 1984. – 944с.
   
8. 
   Физические эффекты в машиностроении: Справочник / В.А. Лукьянец, З.И. Алмазова, Н.П. Бурмистрова и др.; Под общ. ред. В.А. Лукьянца. – М.: Машиностроение, 1993. – 224 с.
   
9. 
   Колесников В.И., Лужнов Ю.М., Чичинадзе А.В. Цели и задачи журнала «Трение и смазка в машинах и механизмах» // Приложение к журналу «Сборка в машиностроении, приборостроении». №1 (7) 2005. – С. 3-7.
   
10. 
    Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. – М.: Машиностроение, 2007. – 496 с.