«Төменде өте көп орын бар» 1959 жылдың 29 желтоқсанында физика ғылымы бойынша 1965 жылы «Элементарлы бөлшектер физикасында терең салдары болған кванттық электродинамикадағы фундаментальды жұмыстары»

Пропорционалды миниатюризация заңдарына сәйкес микро- және нанодеңгейде беттік күштер көлемдік күштерден басым. Осыған байланысты микромеханикалық жүйелерді өңдеп шығару кезінде козғалмалы бөлшектер үйкелісі мен тозуына үлкен көңіл бөлу керек. Микро- және наномеханикалық элементтердің массасы аз болғандықтан олар төмен инерцияға ие, бұл өзіндік тербелістердің жоғары динамикалық сипаттамалары (дыбыс беру жылдамдығы) мен жоғары жұмыс істеу жиілігіне әкеледі. Үйкеліс энергиялық шығындар мен механикалық құрылғылардың жалпы пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК) азаюына ғана емес, сонымен қатар олардың функционалды әрекетіне кері әсер беретін және элементтердің бұзылуына әкелетін тозуға да алып келеді. Басқаша айтқанда, үйкеліс құрылғының жұмыс істеу тиімділігін ғана емес, оның өмірінің ұзақтығын да анықтайды.

Әдетте үйкеліс деп жазықтықтаемесекі беттесетін дененің салыстырмалы орын ауыстыруы негізінде пайда болатын механикалық кедергіні түсінеді. Үйкеліс күші серпімділік, адгезия, тұтқырлық, капиллярлы күштер, химиялық ерекшеліктер, фотонды және электростатикалық әрекеттесулер және т.б. кезінде пайда болатын жиынтық эффекті болып табылады. Үйкеліс шамасына әрекеттесуші материалдар типі мен олардың бетінің әрекеттесуі әсер береді, яғни ол материалдың беттік қабатына әсер етеді, ал көлеміне әсер етпейді.

Үйкелісті зерттейтін масштабқа тәуелді макро-, микро- және нано- трибологияны бөліп көрсетеді. Трибология бөлімдерінің әркайсысы үйкелісті сәйкес масштабта зерттейді. Мысалы, макротрибологияда үйкелісті үлкен көлемдер деңгейінде зерттеп, зат құрылысының ерекшеліктерін қарастырмайды. Макротрибологияның негізгі арақатынасы Амонтон-Кулон заңы.

Мұндағы: k- мөлшерсіз үйкеліс коэффициенті, N-тіреудің реакция күші. Үйкеліс коэффициенті әрекеттесуші беттер туралы ақпаратқа ие және температураға, ылғалдылыққа, сырғанау жылдамдығына және т.б. тәуелді. Макротрибологияда үйкеліс күші екі дене беттесуінің ауданына тәуелді емес, беттесу ауданын беттесуші обьектілердің геометриялык ауданына тең деп есептейді. Макроскопиялық үйкеліс күшінің шамасы кең ауқымда өзгере алатын жеке микробеттемелердің орташаланған үйкеліс күші болып табылады.

Микротрибология элементарлы микробеттемелер әрекеттесуін зерттейді. Макротрибологияда бүтін орталар теориясының түсініктері мен терминологиясы қолданылса, микротрибологияда жеке атомдар әрекеттесуіне негізделген іргелі түсініктер қолданылады. Микродеңгейдегі көптеген үйкеліс үдерістерінің моделінде шығыңқы жердің кейбір бетпен әрекеттесуін қарастырады. Осыған байланысты микротрибологияның негізгі тәжірибелік әдісі сканирлеуші зондты ми- кроскопия болды (сәйкес әдістеме материалды күштер әдісі деген атқа ие). Зонд ұшы бір немесе бірнеше атомнан тұратын аз беттесуші аудан- да үйкелісті “сезуге” мүмкіндік береді.

Сұйық және құрғақ үйкелісті бөліп көрсетеді. Сұйық үйкеліс көптеген реалды жүйелерде жүзеге асады (үйкеліс қатты денелер бетінде сұйықтықтың молекулалық үлпегі түзілгенде де сұйық болып табылады). Құрғақ үйкеліс ретінде вакуумдағы үйкеліс үдерістерін немесе үлкен нормальді қуаты бар үйкелісті қарастырады, бұл зондтан сұйықтықтың ығыстырылып шығарылуына алып келеді.

Үйкеліс күші диссипативті күш болып табылады, яғни беттер бір-бірімен сырғанағанда механикалық энергияның шашырауы жүзеге асады, ол үйкеліске әкелетін әрбір эффект өзіндік энергия диссипациясының механизміне ие. Мұндай механизмдер ретінде құрғақ үйкеліс жағдайында келесі механизмдерді бөліп көрсетеді: энергияны атомдар тербелісі түрінде шашырататын атомарлы вибрация (фотонды шашырау); микро кедір-бұдырлықтардағы атомарлы байланыстардың бұзылуы; беттесуші беттердің шығыңқы жерлерінің арасында пайда болатын адгезиялық байланыстардың үзілуі; электрон- тесік жұптарының козуы (мұндай үдерістің эффективтілігі фононды шашырау эффективтілігінен төмен).

Сұйык үйкеліс сұйықтық қабатының қалыңдығына тәуелді. Сұйықтықтың мономолекулалы қабаты энергия диссипациясының механизмдеріне әсер етпейді де, бұл үдерісті құрғақ үйкеліске жуықтап қарастыруға болады. Бетте сұйықтық мөлшерінің артуы фононды канал бойынша энергия шашырауының бөгелуіне әкеліп, сұйық қабат тұтқырлығын басып өтуге жұмсалатын энергия басымдылыққа ие болады. Қалың үлпектер үшін капиллярлы эффектілер маңызды рөл атқарады.

Микротрибологияда үйкеліс күшінің нормальді берілген қуатка тәуелділігі Бауден-Табор формуласымен есептеледі:

(6.7)

Мұндағы: - беттік кернеу, - элементарлы беттеменің реалды ауданы. Бұл аудан беттесуші беттердің өзара серпімді деформациясына тәуелді. Мұндай беттеме ауданы Герц есебін шешу арқылы алы- нуы мүмкін (денелердің локальді беттесуі кезіндегі деформацияны анықтау):

Мұндағы: R - шығыңқы жер немесе зонд қисықтығының радиусы, N- нормальді күш, К-тиімді Юнг модулі, ол келесі формуламен есептеледі:

Мұндағы: Е, -Юнг модульдері, -сәйкес материалдардың Пуассон коэффициенттері. Қатты денелердегі адгезиялық әрекеттесулерді ескеру үшін Маугис моделі қолданылады.

Сұйық үйкеліс жағдайында нормальді күшке капиллярлы әрекеттесулермен байланысты адгезиялық қосындыны қосу қажет. Бұл күш беттесетін беттерді бір-біріне тартады және келесі теңдеумен есептеледі:

(6.10)

Мұндағы: - беттік кернеу коэффициенті. Бауден-Табор моделі тәжірибе жүзінде дәлелденген.

Микротрибологияның негізгі ерекшеліктерінің бірі жабысу-сырғанау эффектісі болып табылады, яғни бір беттің екінші бетке қатысты кедір-бұдыр қозғалуы. Кейбір сәтте беттердің шығыңқы жерлері адгезия немесе капиллярлы күштер нәтижесінде жабысып, оларды бөлу үшін басым күш қажет. Содан кейін шығыңқы жер басқа нүктеге ауысады. Жабысу-сырғанау эффектісі қозғалыс жылдамдығына тәуелді. Мысалы, кейбір критикалык сырғанау жылдамдығына жеткенде эффект жойылып, үйкеліс күші жүйелі болады.

Нанотрибология мақсаты жеке атомдардың әрекеттесуі деңгейіндегі үйкелісті түсіндіру. Нанодеңгейдегі үйкеліс моделі жеке атомның басқа бет атомдарының периодты потенциалы түзетін потенциалды күштер өрісінде U(x) бет бойынша қозғалысын қарастырады:

Мұндағы: а- тор периоды.

Жүйенің консервативсіздігі атомның жоғарғы энергиялық күйден төменгі энергиялық күйге қозғалысы кезінде жүйе энергиясының «жасанды» шығындалуын енгізеді. Сонда шапшаң үйкеліс күші атом траекториясының әрбір нүктесінде келесідей болады:

0 (6.12)

=0, (6.13)

Қатты денедегі атомның серпімді фиксациясы есебінен шығындалған энергия денетүбіне фононды тербелістер түрінде беріліп, артынша диссипирленеді. Қозғалыстың барлық траекториясындағы лездік үйкеліс күшінің орташа мәні микротрибологиядағы үйкеліс күшінс тең деп саналады.

Наноүйкелісті атомдық-күштік микроскопия әдісімен латеральді күштер тіркеуі режимінде тәжірибелік түрде анықтау интенсивті жабысу-сырғанау эффектісін көрсетеді. Наноүйкелісті сапалы түрде түсіну үшін әдетте сканирлеуші бет атомдарының периодты потенциалы түзетін потенциалды күштер өрісіндегі серпімді зонд қозғалысының үлгісі карастырылады. Зонд козғалысы кезінде потенциалды энергияның артуымен (потенциалы жоғары ауданға) зонд үйкеліс күшіне сәйкес үлгі кедергісіне ұшырайды. Зонд ауытқып, бетке «жабысады». Потенциал максимумына жетіп зонд үзіледі де, сканирлеу бағытында тербелмелі қозғалысын бастайды. Бұл қозғалыс біртіндеп өшеді де, жиналған энергия диссипирленеді. Зонд тербелістерін орташалау оның қозғалысының секірмелі сипатын бақылауға мүмкіндік береді, бұл жабысу-сырғанау эффектісіне сәйкес келеді. Үйкеліс күші бұл жерде ара тәріздес профильге ие. Екі өлшемді модельде қозғалыстың өзіндік ерекшеліктері бар. Зонд сканирлеу бағытында ғана қозғалмайды, сонымен қатар бір жақтан екінші жаққа қозғалады, бұл зондтың потенциалды максимумдерден энергия минимумына ауытқуымен байланысты.