Нанотехнологии. Правда и вымысел

Трибология изучает контактное взаимодействие твердых тел при их относительном движении, включая комплекс вопросов трения, изнашивания, смазки и самоорганизации. При этом следует отметить тот факт, что практически все вопросы трибологии связаны с изучением процессов, протекающих в поверхностном слое (межфазной границе) контактируемых деталей, толщина которых составляет от нескольких миллиметров до нанометрического атомного уровня.

При трении поверхностей деталей друг с другом, как при их смазывании (жидкостное и граничное трение), так и при его полном отсутствии (сухое трение) в зоне контакта происходит изменение их макроструктурного и наноструктурного строения, следствием которого является износ и разрушение трущихся поверхностей деталей.

Трение долгое время воспринималось как явление, приводящее к большим материальным потерям в экономике всего мира. Известно, что больше половины топлива, потребляемого автомобилями, тракторами, тепловозами и другими видами транспорта, расходуется на преодоление сопротивления, создаваемого трением в трущихся соединениях. Например, в текстильном производстве на преодоление сопротивления трения затрачивается около 80 % потребляемой электрической энергии. Низкие коэффициенты полезного действия большинства устройств обусловлены, главным образом, потерями на трение. КПД глобоидного редуктора, устанавливаемого в лифтах, металлорежущем оборудовании, шахтных подъемниках и др. даже и после приработки составляет только 0,65-0,70, а в такой распространенной паре, как винт-гайка, и того меньше: лишь 0,25.

Именно по причине нулевого КПД в 1775 году Французская академия наук приняла официальное решение об отказе рассматривать какие бы то ни было проекты «перпетуум-мобиле» — вечного двигателя, за более чем семьдесят лет до открытия закона сохранения энергии, со следующим объяснением: «Построение перпетуум-мобиле абсолютно невозможно. Если бы даже трение и сопротивление среды в течение длительного времени не смогли уничтожить двигательной силы, то эта сила могла бы произвести только эффект, равный причине… Если бы можно было пренебречь трением и сопротивлением среды, то тело, приведенное в движение, могло бы оставаться в движении, но не оказывать воздействие на другие тела, и «перпетуум-мобиле», который получился бы в этом гипотетическом случае (что в природе невозможно), был бы абсолютно бесполезен.».

Многие непонятные для своего времени явления с развитием нанонауки получили научное обоснование и дальнейшее практическое развитие. То, что трение является неравновесным термодинамическим процессом, было известно давно, но только в последние годы установлено, что при глубокой неравновесности и нелинейности возможна самоорганизация и образование при трении особых наноразмерных структур с уникальными трибологическими свойствами. Таким образом, выявилась возможность работы при более совершенной системе, чем трение при граничной смазке.

Открытие избирательного переноса (ИП) при трении, или так называемого эффекта безызносности, сделанное советскими учеными Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским в 1956 году, позволило изменить сложившееся представление о механизме изнашивания и трения, но многие явления, характерные для него, оставались необъяснимой загадкой.

Совместное использование теоретических положений и практических достижений нанотехнологии позволяет объяснить многие протекающие при таком трении процессы и использовать его не как разрушительное явление природы, а как самоорганизующийся созидательный процесс, в том числе для безразборного восстановления агрегатов и узлов техники в процессе их непрерывной эксплуатации.

Гаркуновым и Крагельским было обнаружено неизвестное ранее явление самопроизвольного образования тонкой пленки меди в парах трения бронза-сталь деталей самолетов в условиях смазывания их спиртоглицериновой средой и консистентной смазкой ЦИАТИМ-201. Особенностью эффекта было то, что пленка покрывала не только бронзовую деталь, но и сопряженную с ней стальную поверхность. При этом образовавшаяся тончайшая медная пленка снижала износ и уменьшала силу трения в десять раз и более. Явление было названо избирательным переносом металла при трении (ИП), или «эффектом безызносности».

Как уже отмечалось, учеными было установлено, что особенностью процесса является образование так называемой сервовитной пленки толщиной около 100 нм, способной в десятки раз снизить потери на трение и интенсивность изнашивания трущихся соединений машин и механизмов.

В дальнейшем при анализе условий работы и трущихся поверхностей деталей поршневого компрессора бытового холодильника было обнаружено аналогичное явление в паре трения сталь-сталь. В данном случае это являлось следствием растворения масло-фреоновой смесью медных трубок охладителя, находящихся на значительном удалении от зоны трения.