«Трение и износ – две самые большие проблемы в системах, состоящих из нескольких отдельных компонентов», – говорит Кристиан Грайнер из Института прикладных материалов. Решение найдено в природе: змеи, такие как шаровой питон, или ящерицы, такие как сцинк песчаной рыбы, используют трение для движения вперед, но могут уменьшить его до минимума благодаря своей чешуе.
Вместе с Майклом Шафером Грейнер разработал процесс переноса чешуйчатой структуры рептилий на компоненты электромеханических систем: с помощью волоконного лазера они фрезеровали чешуйки в стальной болт диаметром 8 мм.
С помощью двух разных структур исследователи материалов проверили, влияет ли расстояние между весами на поведение трения.
В первой структуре чешуйки накладываются друг на друга и расположены очень близко друг к другу, как, например, чешуя на брюхе шарообразного питона. Вторая структура состоит из чешуек, расположенных вертикальными рядами на большем расстоянии, например, кожа сцинка песчаной рыбы. "Расстояние между рядами в нашем эксперименте было наименьшим возможным расстоянием, которое мы могли произвести с помощью лазера.
Следовательно, структура не полностью соответствует строению сцинка песчаной рыбы », – говорит Грейнер. Однако в будущем исследователи планируют создать структуры, которые по своей природе будут ближе к оригиналу.
Каждая шкала имеет высоту 5 мкм и поперечный размер 50 мкм (10-6 метров).
Это примерно соответствует диаметру волоса. В природе чешуя змеи имеет размер от 300 до 600 нм (10-9 метров). Чешуя морской рыбы имеет размер 2 х 3 мм (10-3 метра).
Следовательно, размер покрытых лазером чешуек не соответствует размеру чешуи рептилий. Однако другой проект ученых KIT показал, что изменение размера не обязательно приводит к тому, что искусственная структура становится менее эффективной, чем естественная: для моделирования «адгезионных» и самоочищающихся свойств лап геккона исследователи использовали эластичные микрошерсти, которые были до 100 раз больше, чем у животных, но обладали такой же адгезионной способностью.
Чтобы выяснить, уменьшают ли шкалы трение, Грейнер и Шафер прикрепили структурированную поверхность болтов к вращающейся пластине.
Опыты проводились без и со смазкой (1 мл минерального масла). Для экспериментов с маслом в качестве смазки ученые использовали стальные диски. В условиях сухого скольжения применялись сапфировые диски.
Диаметр диска 50 мм.
Эксперименты в условиях смазки показали, что как узкое, так и широкое расположение шкал увеличивают трение по сравнению с неструктурированным болтом: на широких шкалах трение увеличивается в 1 раз.6. Узкие чешуйки увеличивают трение в 3 раза.
В несмазанном состоянии широкая структура снижает трение более чем на 40 процентов, в то время как трение уменьшается на 22 процента в случае узкой структуры.
Ученые не ожидали, что узкая структура увеличивает трение как в условиях смазки, так и без нее: «Мы предположили, что узкая структура более эффективна, поскольку она ближе к природе», – говорит Грейнер.
Им удалось исключить, что меньшее трение было вызвано модификацией поверхности из-за воздействия лазера: «На чешуе и между шкалами материал был мягче, чем необработанный материал. Только края, прорезанные лазером, были тверже и не контактировали с вращающимся диском. Следовательно, мы пришли к выводу, что весы уменьшают трение », – говорит Грейнер.
Теперь исследователи материалов планируют проверить, как изменяется трение болта при изменении размера чешуек или использовании более твердого материала.