Sơ đồ hai lớp từ tính được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu. Nguồn: Hongri Gu

Phát hiện ma sát không tiếp xúc

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Konstanz đã xác định được một loại ma sát trượt hoàn toàn mới. Trong trường hợp này, lực cản chuyển động xảy ra mà không cần bất kỳ sự tiếp xúc vật lý nào, thay vào đó phát sinh từ hành vi tập thể của các phần tử từ tính. Phát hiện của họ cho thấy ma sát không phải lúc nào cũng tăng đều đặn theo tải trọng, như được mô tả bởi định luật Amontons - một trong những định luật thực nghiệm lâu đời nhất và được chấp nhận rộng rãi nhất trong vật lý - mà có thể đạt đến một đỉnh rõ rệt khi trật tự từ tính bên trong hệ thống bị phá vỡ.

Trong hơn 300 năm, định luật Amontons đã liên hệ ma sát trực tiếp với lực ép giữa hai bề mặt. Điều này phù hợp với kinh nghiệm hàng ngày, nơi các vật nặng hơn khó di chuyển hơn các vật nhẹ hơn. Giải thích thông thường là các bề mặt bị biến dạng nhẹ dưới áp lực, tạo ra nhiều điểm tiếp xúc siêu nhỏ hơn làm tăng lực cản.

Trong hầu hết các hệ thống truyền thống, những biến dạng này là nhỏ và không làm thay đổi đáng kể cấu trúc bên trong của vật liệu trong quá trình chuyển động. Tuy nhiên, giả định này có thể không đúng trong các hệ thống mà chuyển động gây ra những thay đổi lớn bên trong. Vật liệu từ tính là một ví dụ điển hình, vì chuyển động có thể sắp xếp lại trật tự từ tính bên trong của chúng.

Thí nghiệm từ tính không tiếp xúc

Để nghiên cứu khả năng này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một thí nghiệm trên bàn với một mảng hai chiều gồm các phần tử từ tính quay tự do được đặt phía trên một lớp từ tính thứ hai. Mặc dù hai lớp không bao giờ chạm vào nhau về mặt vật lý, nhưng tương tác từ tính giữa chúng vẫn tạo ra một lực ma sát có thể đo được.

Bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa các lớp, nhóm nghiên cứu đã có thể kiểm soát tải trọng hiệu dụng đồng thời trực tiếp quan sát sự thay đổi của cấu trúc từ tính trong quá trình chuyển động.

"Bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các lớp từ tính, chúng tôi có thể đưa hệ thống vào chế độ tương tác cạnh tranh, trong đó các rôto liên tục tự sắp xếp lại khi chúng trượt", Hongri Gu, người thực hiện các thí nghiệm, cho biết.

Xung đột từ tính tạo ra đỉnh điểm ma sát

Kết quả cho thấy một quy luật bất ngờ. Ma sát thấp nhất khi các lớp nằm rất gần nhau hoặc rất xa nhau. Tuy nhiên, ở khoảng cách trung gian, ma sát tăng mạnh.

Hiện tượng này xảy ra do sự cạnh tranh giữa các ưu tiên từ tính. Lớp trên có xu hướng sắp xếp các mômen từ của nó theo cấu hình song song ngược chiều (song song nhưng hướng ngược nhau), trong khi lớp dưới lại ưa thích sự sắp xếp song song. Những xu hướng xung đột này đẩy hệ thống vào trạng thái không ổn định.

Khi các lớp chuyển động, nam châm liên tục chuyển đổi giữa các cấu hình không tương thích này theo kiểu trễ (nghĩa là trạng thái hiện tại phụ thuộc vào lịch sử trước đó của nó). Việc chuyển đổi liên tục này làm tăng tổn thất năng lượng và tạo ra một đỉnh ma sát rõ rệt.

Một lời giải thích mới về ma sát không cần bề mặt

"Xét về mặt lý thuyết, hệ thống này rất đáng chú ý vì ma sát không bắt nguồn từ sự tiếp xúc vật lý trên bề mặt, mà từ động lực tập thể của các mômen từ," Anton Lüders, người đã phát triển mô tả lý thuyết, giải thích.

Các tương tác từ tính cạnh tranh tự nhiên thúc đẩy sự định hướng lại liên tục trong quá trình chuyển động, dẫn đến lực ma sát không thay đổi theo quy luật tuyến tính đơn giản với tải trọng. Thay vì là một ngoại lệ, sự phá vỡ định luật Amontons trong trường hợp này xuất phát trực tiếp từ hành vi sắp xếp từ tính trong quá trình trượt.

"Điều đáng chú ý là ma sát ở đây hoàn toàn phát sinh từ sự tái cấu trúc nội bộ," Clemens Bechinger, người giám sát dự án, bổ sung. "Không có sự mài mòn, không có độ nhám bề mặt và không có sự tiếp xúc trực tiếp. Sự tiêu tán năng lượng chỉ được tạo ra bởi sự sắp xếp lại từ tính tập thể."

Ứng dụng tương lai của ma sát từ không tiếp xúc

Vì các nguyên lý vật lý cơ bản không phụ thuộc vào quy mô, những phát hiện này có thể được áp dụng rộng rãi hơn nhiều so với thiết lập thí nghiệm. Các hiệu ứng tương tự có thể xảy ra trong các vật liệu từ tính siêu mỏng ở cấp độ nguyên tử, nơi ngay cả những chuyển động nhỏ cũng có thể làm thay đổi trật tự từ tính. Điều này mở ra những cách thức mới để nghiên cứu và kiểm soát từ tính bằng cách sử dụng các phép đo ma sát.

Nghiên cứu cho thấy khả năng điều chỉnh ma sát mà không gây mài mòn vật lý. Bằng cách sử dụng hiện tượng trễ từ, có thể điều chỉnh ma sát từ xa và thuận nghịch. Điều này có thể dẫn đến các công nghệ như siêu vật liệu ma sát, hệ thống giảm chấn thích ứng và các thành phần điều khiển không tiếp xúc.

Các ứng dụng tiềm năng bao gồm hệ thống vi điện cơ và nano điện cơ, nơi sự mài mòn giới hạn tuổi thọ thiết bị, cũng như ổ trục từ tính, hệ thống cách ly rung động và vật liệu từ tính siêu mỏng, nơi chuyển động và từ tính có mối liên hệ chặt chẽ. Nói rộng hơn, ma sát từ tính cung cấp một cách tiếp cận mới để nghiên cứu hành vi quay tập thể thông qua các phép đo cơ học, kết nối các lĩnh vực ma sát học và từ tính theo một cách mới.