פיתוח ישראלי: מנגון המפחית חיכוך כמעט לאפס

חוקרים מבית הספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב פיתחו מערכת על-סיכה שמבטלת כמעט לחלוטין את החיכוך בין משטחים מיקרומטריים (מיקרומטר = מיליונית המטר/אלפית המילימטר), ובכך מונעת שחיקה וחוסכת אנרגיה רבה. המחקר, שעשוי להשפיע באופן משמעותי על חיינו בתחומים רבים, בוצע על-ידי פרופ' מיכאל אורבך ופרופ' עודד הוד בשיתוף עם פרופ' מינג מא ופרופ' קוואנשואי ז'נג מאוניברסיטת צינגהואה שבבייג'ינג, במסגרת מרכז 'שין' לחדשנות של שתי האוניברסיטאות. המאמר על המחקר פורסם השבוע בכתב העת היוקרתי Nature Materials.

ממשק בין גרפיט לגרפיט לבנה מאפשר מצב על-סיכה המתאפיין בתנועה כמעט נטולת חיכוך(אייר: הלל קליינר)

"חיכוך הוא כוח פיזיקלי בסיסי המופיע בכל מנגנון מכאני. לעיתים קרובות החיכוך הוא חיוני לפעולת המערכת אך פעמים רבות הוא גם גורם לשחיקה ולאובדן אנרגיה", מסביר פרופ' אורבך. "קיימות הערכות לפיהן כ-30% מהאנרגיה המסופקת על-ידי דלק בכלי-רכב אובדת עקב חיכוך, ולכך יש להוסיף את הנזק הכרוך בשחיקה ובבלאי. מסיבה זו מנסים מדענים בכל העולם לפתח מערכות שיפחיתו משמעותית את רמת החיכוך בין גופים. בשנת 1993 הוטבע המונח 'על-סיכה' על ידי קבוצת חוקרים יפניים, שהוכיחו כי מצב של חיכוך אולטרה-נמוך הינו אפשרי מבחינה תיאורטית. עם זאת, עד היום לא יושמה מערכת על-סיכה ממשית במנגנונים מכאניים שגודלם מעל ננומטרים ספורים (ננומטר = ביליונית המטר/מיליונית המילימטר)".

באוניברסיטת תל אביב אמרו כי המחקר הנוכחי מציג מנגנון "על-סיכה", המפחית כמעט לאפס את החיכוך בין משטחים, ועשוי להתאים למגוון רחב של יישומים מעשיים. "המחקר מבוסס על עבודה תיאורטית שביצענו באוניברסיטת תל אביב, שחזתה כי הממשק בין משטח של גרפן (יריעה דו-ממדיות של אטומי פחמן) לבין משטח דו-ממדי של בורון ניטריד הקסגונלי (BN-h, המכונה גם 'גרפן לבן') צפוי להציג על-סיכה ללא תלות בכיווניות היחסית של המשטחים", הסביר פרופ' הוד. "המשמעות היא שאם נצפה שני רכיבים מכאניים הנעים זה על זה, האחד בגרפיט (רב שכבה של גרפן) והשני בגרפיט לבנה (רב שכבה של BN-h), אנו צפויים לקבל על-סיכה יעילה ביותר".

החוקרים הסבירו כי הסיבה לכך טמונה במבנה הגבישי של שני המשטחים. האטומים של שני החומרים מסודרים בשכבות, כאשר כל שכבה דמויה לכוורת של משושים. אך משושי הגרפן הלבן גדולים מעט יותר מאלה של הגרפן. כתוצאה מכך, לא נוצרת לעולם התאמה מלאה בין שני המשטחים, והם מחליקים זה על זה בקלות, בכל כיוון. זאת בניגוד לשני משטחים העשויים מאותו חומר, שהם בעלי מבנה זהה, ולכן ננעלים זה בתוך זה (דמיינו לעצמכם שני קרטוני ביצים המונחים זה על זה בהתאמה מלאה.

עמיתיהם של פרופ' הוד ופרופ' אורבך באוניברסיטת צינגהואה ביצעו סדרת ניסויים שהוכיחה את התיאוריה הלכה למעשה. התוצאות המרשימות הושגו במשטחים ריבועיים בעלי צלע באורך 3 מיקרון, ושטח מגע הגדול פי מיליון מניסויים קודמים, שבוצעו עבור ממשקים ננומטריים של גרפן בלבד. "המדידות שלהם, שנתמכו בחישובים שלנו, הראו חיכוך אולטרה-נמוך בין שני המשטחים, כשהם מחליקים זה על זה בכל זווית שהיא", אומר פרופ' הוד. "למעשה, מדובר בעל-סיכה המקטינה את החיכוך פי אלף בהשוואה לרמת החיכוך המכאנית המוכרת לכולנו מחיי היומיום".

פרופ' אורבך סיכם: "אנחנו צופים אינספור יישומים לטכנולוגיית העל-סיכה שפיתחנו. משטחים שגודלם מספר מיקרונים, כמו אלה שבנינו, יכולים להתאים כבר היום למכשירים זעירים, כמו רכיבי שעונים והתקנים מיקרו-אלקטרו-מכאניים דוגמת חיישני תאוצה, חיישנים כימיים והתקנים פיאזואלקטריים. אנו מאמינים שבעתיד יפותחו גם משטחים גדולים יותר, שיותקנו במנועי מכוניות, במיסבי לוויינים, ואולי אף בגוף החי. מערכות על-סיכה כאלה יחסכו כמות אדירה של אנרגיה וימנעו בלאי ושחיקה בכל סוגי המנגנונים – החל במנועים ומזרקים רפואיים, וכלה במפרקים שבגופנו".