Phát hiện vật liệu tạo ra ma sát dù không tiếp xúc, thách thức định luật 300 năm

Một nghiên cứu mới công bố trên Nature Materials đã phát hiện hiện tượng ma sát vẫn có thể xuất hiện giữa hai bề mặt không hề tiếp xúc, tạo ra một ngoại lệ đáng chú ý đối với định luật Amontons tồn tại hơn 300 năm.

Phát hiện này không phủ nhận hoàn toàn quy luật cổ điển, nhưng cho thấy những giới hạn của nó trong các hệ vật lý đặc biệt như vật liệu từ tính.

Định luật Amontons, được đề xuất từ năm 1699, cho rằng lực ma sát tỉ lệ thuận với tải trọng, tức lực ép giữa hai bề mặt càng lớn thì ma sát càng tăng. Nguyên lý này vẫn đúng trong phần lớn các trường hợp cơ học thông thường, nơi ma sát phát sinh từ sự tiếp xúc và biến dạng vi mô của bề mặt vật liệu.

Trong thí nghiệm mới, các nhà khoa học sử dụng hai lớp vật liệu từ tính đặt gần nhau nhưng không chạm trực tiếp. Lớp trên là một mảng các phần tử từ tính có thể xoay tự do, trong khi lớp dưới là một lớp từ tính cố định. Dù không có tiếp xúc vật lý, giữa hai lớp vẫn xuất hiện lực ma sát có thể đo lường được.

Điểm bất ngờ nằm ở cách lực ma sát thay đổi theo khoảng cách. Thay vì tăng hoặc giảm tuyến tính như dự đoán, lực ma sát tạo thành một đường cong hình chuông ngược: yếu khi hai lớp rất gần hoặc rất xa, nhưng tăng mạnh ở khoảng cách trung gian. Điều này đi ngược lại với cách hiểu truyền thống về mối quan hệ giữa ma sát và tải trọng.

Nguyên nhân được xác định là do sự xung đột trong cách sắp xếp các mô-men từ tính giữa hai lớp vật liệu. Ở khoảng cách trung gian, các tương tác cạnh tranh khiến hệ liên tục thay đổi trạng thái để đạt cân bằng, từ đó tạo ra lực cản - chính là ma sát - dù không có tiếp xúc hay mài mòn bề mặt.

Theo giáo sư Clemens Bechinger, điểm đặc biệt của hiện tượng này là ma sát hoàn toàn phát sinh từ sự tái tổ chức cấu trúc bên trong vật liệu, thay vì do độ nhám hay sự va chạm giữa các bề mặt như trong cơ học cổ điển.

Phát hiện này mở ra tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực vi cơ điện tử và công nghệ nano, đặc biệt trong việc tối ưu các hệ thống như ổ đỡ từ tính hoặc các thiết bị điện tử siêu nhỏ. Việc hiểu rõ cơ chế ma sát không tiếp xúc có thể giúp giảm hao mòn, tăng độ bền và hiệu suất của các thiết bị trong tương lai.

Nghiên cứu cũng một lần nữa cho thấy các định luật khoa học không phải là tuyệt đối, mà luôn có thể được mở rộng khi xuất hiện những bằng chứng mới, góp phần đưa hiểu biết của con người tiến gần hơn tới bản chất thực sự của thế giới vật lý.