Работа, опубликованная в журнале Physical Review B, описывает детали взаимодействия двух поверхностей, находящихся в контакте. Исследования могут быть полезны во многих отраслях, начиная от физики полимеров и заканчивая биологией.

Практически любая с виду гладкая поверхность в наномасштабе представляет собой мир разломов и «складок». Особенности рельефа вносят существенные поправки в процесс изучения взаимодействия двух таких поверхностей, будь то контакт покрышки автомобильного колеса с асфальтом или вопрос крепления биологической клетки к подложке.

На современном уровне развития технологий невозможно провести детальные исследования отдельных участков контакта, в то время, пока два объекта взаимодействуют друг с другом. Традиционный подход выглядит следующим образом: ученые сначала надавливают одним объектом на другой, затем убирают его и проводят исследования результатов взаимодействия на поверхности при помощи атомно-силового микроскопа или сходной методики.

Однако, здесь есть место и нетрадиционным подходам. К примеру, в своей статье в журнале Physical Review В команда ученых из Японии предложила методику наблюдения «живого» контакта. Они использовали высокочастотные звуковые волны и лазерные импульсы для исследования контакта поверхностей при масштабах, не доступных традиционной оптической микроскопии.

В их экспериментальной установке при помощи механического манипулятора создавался контакт между керамическим шаром диаметром в несколько миллиметров и тонкой пленкой хрома на поверхности сапфира. При помощи лазера через сапфир формировался импульс излучения, сфокусированный на границе сапфира и хрома. Нагрев вещества в точке фокусировки луча вызывал его расширение, за счет чего возникали высокочастотные (до 100 ГГц) звуковые волны, распространяющиеся в сторону контакта с керамическим шаром. Отражение звуковых волн от границы керамики и хрома позволяет зафиксировать их при помощи второго лазерного импульса, который, отражаясь от колеблющейся границы хром-сапфир, позволяет судить о характере механических колебаний по характеру интерференционной картины.

Ученые провели две серии испытаний. Сначала, снимая показания в одной и той же точке, регулируя при этом задержку перед вторым лазерным импульсом, они получили детальную временную картину отклика контакта керамика-хром на единичный импульс. После чего, проведя сканирование по всей площади контакта, они обнаружили, что на микроскопическом уровне характер отклика в значительной степени меняется. Согласно их объяснениям, эти флуктуации вызваны «наноскопическими» неровностями поверхностей, входящих в контакт. Если локальное исследование проводится в точке, где поверхности взаимодействуют сильно (к примеру, в точке, где друг напротив друга находится две «выпуклости» рельефа), большая часть энергии возникающей звуковой волны «уйдет» через границу и будет рассеяна в керамике. В обратном случае – она будет зафиксирована вторым лазерным импульсом.

Команда отметила, что при увеличении силы давления керамической сферы на поверхность хрома, отраженная звуковая энергия уменьшалась, т.к. в контакт входило все больше наноэлементов поверхностного рельефа тел.

Проведенное исследование, а также предложенная в его рамках методика, является ключом к дальнейшему изучению вопросов контакта поверхностей и их взаимного износа.