يستطيع الفيزيائيون الآن التحكم في الاحتكاك “الخفي” في الأجهزة

لا تزال أجزاء الأجهزة الملساء تمامًا تتعرض للاحتكاك بسبب الإلكترونات الموجودة بداخلها، لكن هناك طريقة جديدة قد تمكن الباحثين من إيقاف تشغيلها أو إيقاف تشغيلها بالكامل. يمكن أن يساعد التحكم في هذا الاحتكاك الإلكتروني في بناء أجهزة أكثر كفاءة وطويلة الأمد.

قوة الاحتكاك تعاكس الحركة، وتبدد الطاقة، وهي موجودة في كل مكان حولنا، وتمكننا من المشي دون انزلاق، على سبيل المثال، وإشعال أعواد الثقاب. داخل الآلات مثل المحركات، يهدر الاحتكاك الطاقة ويسبب التآكل، لذلك يجب محاربته بمواد التشحيم وهندسة الأسطح. ومع ذلك، يمكن أن يستمر بعض الاحتكاك بغض النظر عن تلك الطرق، لأن الأجسام مليئة بالإلكترونات، التي تتفاعل مع بعضها البعض.

والآن، ابتكر زيبينج شو – من جامعة تسينجهوا في الصين – وزملاؤه طريقة للتحكم في هذا “الاحتكاك الإلكتروني”. لقد صنعوا جهازًا يتكون من طبقتين: قطعة من الجرافيت وشبه موصل مصنوع إما من الموليبدينوم والكبريت أو من البورون والنيتروجين.

جميع المواد الثلاث عبارة عن مواد تشحيم صلبة جيدة، مما يعني أن الاحتكاك الميكانيكي الناجم عنها عند انزلاقها ضد بعضها البعض كان تقريبًا صفرًا. يقول شو إن هذا مكّن الباحثين من التركيز على الآلية “الخفية” للاحتكاك الإلكتروني التي تهدر الطاقة عندما تتحرك طبقات الجهاز. ويقول: «حتى عندما تنزلق الأسطح بشكل مثالي، فإن الحركة الميكانيكية لا تزال قادرة على إثارة «بحر» الإلكترونات داخل المواد».

درس الباحثون أولاً كيف تتوافق الحالات الإلكترونية في طبقة أشباه الموصلات مع كيفية فقدان الطاقة أثناء الانزلاق للتأكد من أنهم كانوا ينظرون بالفعل إلى الاحتكاك الإلكتروني. ثم قاموا باختبار عدة طرق للسيطرة عليه.

لقد تمكنوا من إيقاف تشغيله بالكامل عن طريق إضافة الضغط إلى الجهاز، مما جعل الإلكترونات بين الطبقات تشترك في الحالات بدلاً من التفاعل بطرق مكلفة للغاية، وعن طريق إضافة “جهد التحيز” إلى الجهاز، الذي يتحكم في كيفية إثارة بحر الإلكترونات.

إن تغيير الجهد على طول جزأين مختلفين من الجهاز، والذي أثر على مدى سهولة تدفق الإلكترونات داخله، سمح للباحثين بإضعاف الاحتكاك الإلكتروني – وكان بمثابة قرص تحكم بدلاً من مفتاح تشغيل وإيقاف.

تقول جاكلين كريم من جامعة ولاية كارولينا الشمالية إن الدراسات الأولى عن الاحتكاك الإلكتروني تعود إلى عام 1998، عندما استخدم فريقها مادة توصل الكهرباء بشكل مثالي في درجات حرارة منخفضة للغاية – موصل فائق – لرؤيتها تختفي في هذه الحالة الخاصة. ومنذ ذلك الحين، قام الباحثون بتطوير طرق جديدة للتحكم فيها دون الحاجة إلى تبديل المواد بشكل كامل أو إضافة مواد تشحيم جديدة إلى أجهزتهم، كما تقول.

يقول كريم إن الوضع المثالي سيكون مشابهًا لاستخدام تطبيق الهاتف الذكي لضبط احتكاك نعل حذائك أثناء المشي، على سبيل المثال، من رصيف جليدي إلى غرفة مفروشة بالسجاد. “الهدف هو جهاز التحكم عن بعد في الوقت الحقيقي دون توقف أو هدر المواد. ولتحقيق ذلك، يحتاج المرء إلى مادة تستجيب للمجالات الخارجية بطريقة تنتج مستوى الاحتكاك المطلوب،” كما تقول.

يقول شو إن إدارة جميع أنواع الاحتكاك الموجودة في الجهاز أمر صعب، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الباحثين لم يطوروا بعد نموذجًا رياضيًا من شأنه أن يربط جميع أنواع الاحتكاك ببعضها البعض بشكل صارم. ومع ذلك، في الحالات التي يكون فيها الاحتكاك الإلكتروني هو السبب الرئيسي لهدر الطاقة أو تآكلها، يمكن أن تكون النتائج التي توصل إليها فريقه واعدة بالفعل، كما يقول.