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

Ma sát từ tính

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Konstanz đã xác định được một loại ma sát trượt mới xảy ra mà không cần bất kỳ sự tiếp xúc vật lý nào. Thay vì các bề mặt cọ xát vào nhau, lực cản chuyển động hoàn toàn đến từ hành vi từ tính tập thể. Kết quả của họ cho thấy ma sát không phải lúc nào cũng tăng đều đặn khi tải trọng tăng, như dự đoán của định luật Amontons - một trong những định luật thực nghiệm lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trong vật lý - mà có thể đạt đến đỉnh điểm rõ rệt khi trật tự từ tính bên trong hệ thống bị phá vỡ.

Trong hơn 300 năm, định luật Amontons đã liên hệ trực tiếp ma sát với tải trọng, phản ánh ý tưởng quen thuộc rằng vật nặng hơn sẽ khó di chuyển hơn. Ví dụ, đẩy một chiếc ghế dài nặng cần nhiều nỗ lực hơn so với việc trượt một chiếc ghế nhẹ.

Hiệu ứng này thường được giải thích bằng những biến dạng bề mặt nhỏ dưới tác động của tải trọng, làm tăng số lượng điểm tiếp xúc siêu nhỏ và do đó làm tăng ma sát. Trong hầu hết các trường hợp hàng ngày, những thay đổi này là nhỏ và không làm thay đổi cấu trúc bên trong của vật liệu. Tuy nhiên, vẫn chưa chắc chắn liệu quy luật tương tự có áp dụng khi chuyển động gây ra những sự sắp xếp lại bên trong lớn, chẳng hạn như trong vật liệu từ tính, nơi sự trượt có thể làm thay đổi trật tự từ tính.

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. Hai lớp này không bao giờ chạm vào nhau, 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 chúng, nhóm nghiên cứu đã có thể kiểm soát tải trọng hiệu dụng đồng thời quan sát sự biến đổi của cấu trúc từ tính trong quá trình chuyển động.

Ghép nối từ tính và cấu hình lại 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.

Kết quả cho thấy ma sát thấp nhất khi các lớp rất gần hoặc rất xa nhau. Tuy nhiên, ở khoảng cách trung gian, các lực từ cạnh tranh trở nên chiếm ưu thế. Lớp trên ưu tiên sự sắp xếp song song ngược chiều của các mômen từ (song song nhưng hướng ngược chiều nhau), trong khi lớp dưới lại ưa thích sự sắp xếp song song. Sự không phù hợp này tạo ra trạng thái không ổn định.

Khi các lớp chuyển động trượt qua nhau, nam châm liên tục chuyển đổi giữa các cấu hình đối lập này theo kiểu trễ (có nghĩa là trạng thái hiện tại phụ thuộc vào lịch sử của nó). Sự chuyển đổi lặp đi lặp lại này làm tăng tổn thất năng lượng và dẫn đến ma sát đạt đỉnh cao.

“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 dẫn đến sự định hướng lại trễ trong quá trình chuyển động và, kết quả là, tạo ra lực ma sát thay đổi không đơn điệu theo tải trọng. Theo nghĩa này, sự phá vỡ định luật Amontons không phải là một điều bất thường mà là hệ quả trực tiếp của động lực từ hóa trong quá trình trượt.

Ma sát không tiếp xúc hoặc mài mòn

“Điều đáng chú ý là ma sát ở đây hoàn toàn phát sinh từ sự tái cấu trúc bên trong,” 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.”

Vì cơ chế vật lý đằng sau hiệu ứng này không phụ thuộc vào quy mô, nên những phát hiện này không chỉ giới hạn trong các thiết lập thí nghiệm lớn. Hành vi tương tự có thể xuất hiện 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 khả năng mới để nghiên cứu và kiểm soát từ tính thông qua các phép đo ma sát.

Theo thời gian, nghiên cứu này có thể dẫn đến các hệ thống ma sát có thể điều chỉnh mà không gây mài mòn. Bằng cách sử dụng hiện tượng trễ từ, ma sát có thể được điều chỉnh từ xa và thuận nghịch, hỗ trợ các ý tưởng như siêu vật liệu dựa trên ma sát , hệ thống giảm chấn thích ứng và thiết bị 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 hạn chế hiệu suất, cũng như ổ trục từ tính, công nghệ kiểm soát rung động và vật liệu từ tính siêu mỏng. 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, liên kết các lĩnh vực ma sát học và từ tính theo một cách mới lạ.