Исследователи из Университета Констанца экспериментально доказали существование принципиально нового типа трения, которое возникает без физического контакта поверхностей и управляется исключительно магнитными взаимодействиями, поставив под сомнение универсальность классического закона Амонтона-Кулона. В ходе эксперимента с магнитными слоями ученые обнаружили, что сила трения может не монотонно расти с увеличением нагрузки, а достигать пика в условиях конкуренции магнитных порядков, что приводит к гистерезисным перестройкам и рассеиванию энергии. Результаты этого прорывного исследования, открывающего путь к созданию бесконтактных и износостойких фрикционных интерфейсов, были опубликованы в журнале Nature Materials.
Более трех столетий закон Амонтона,-Кулона основанный на повседневном опыте, незыблемо связывал силу трения с приложенной нагрузкой: тяжелый шкаф сдвинуть сложнее, чем легкий стул, из-за микроскопических деформаций соприкасающихся поверхностей. Однако до сих пор оставалось неясным, будет ли этот закон работать в ситуациях, когда движение вызывает не просто деформацию, а качественную перестройку внутренней структуры материалов.
Именно эту проблему решила исследовательская группа под руководством Клеменса Бехингера, создав уникальную экспериментальную установку. Ученые сконструировали систему из двух магнитных слоев, которые никогда не соприкасались физически, но были связаны магнитным полем. Варьируя расстояние между слоями, они могли точно контролировать эффективную нагрузку и наблюдать за изменениями магнитной конфигурации в процессе движения.
«Изменяя расстояние между магнитными слоями, мы смогли привести систему в режим конкурирующих взаимодействий, при котором роторы постоянно перестраиваются по мере скольжения», — объясняет Хунри Гу, проводивший эксперименты.
Именно в этом режиме и было обнаружено аномальное поведение. Когда конкурирующие взаимодействия достигают пика — верхний слой стремится к антипараллельной ориентации магнитных моментов, а нижний к параллельной, то система становится динамически нестабильной.
В процессе скольжения магниты начинают хаотически переключаться между несовместимыми состояниями, и это гистерезисное поведение, при котором система «помнит» свою историю, приводит к колоссальному рассеиванию энергии. В результате трение, оставаясь бесконтактным, достигает своего максимума не при максимальном сближении слоев, а именно в этой промежуточной зоне конкуренции.
Гистерезисное поведение (от греческого «запаздывание») — это явление, при котором состояние системы зависит не только от текущих внешних условий, но и от того, каким путем система пришла в это состояние. Проще говоря, это «память» системы о прошлом.
Чтобы понять это в контексте описанного исследования о магнитном трении, представьте себе следующее:
Представьте, что вы толкаете тяжелый ящик по полу. Если вы приложите небольшое усилие, ящик не сдвинется. Когда усилие достигнет определенного порога, ящик резко сдвинется и поедет. Но если вы начнете уменьшать усилие, ящик не остановится сразу при том же значении силы, при котором он тронулся с места. Он продолжит движение, пока усилие не упадет до гораздо более низкого значения. Это значит, что поведение ящика (стоит или едет) зависит не только от того, с какой силой вы его толкаете сейчас, но и от того, увеличивали вы эту силу или уменьшали.
В эксперименте с магнитным трением происходит нечто похожее, только на магнитном уровне. Магнитные моменты в слоях, стремясь перестроиться под влиянием друг друга и движения, не могут делать это плавно и свободно. Из-за конкуренции взаимодействий (один слой «хочет» одного порядка, другой — противоположного) они «застревают» в промежуточных состояниях.
Когда верхний слой скользит над нижним, магнитные моменты вынуждены переключаться между этими несовместимыми состояниями. Из-за гистерезиса эти переключения происходят не плавно и не при одних и тех же условиях, а скачкообразно и с «запаздыванием». Это похоже на то, как если бы магниты каждый раз сопротивлялись переключению и делали это рывком, когда «пересилить» их уже невозможно.
Именно эти скачкообразные переключения с «запоминанием» предыдущего состояния и приводят к тому, что энергия движения рассеивается, превращаясь в тепло. Чем больше таких гистерезисных переключений происходит во время скольжения, тем выше сила трения, даже несмотря на отсутствие физического контакта. Грубо говоря, энергия тратится не на преодоление неровностей поверхности, а на постоянную «перестройку» внутренней магнитной структуры, которая никак не может прийти к единому мнению.
С теоретической точки зрения, как подчеркивает разработавший описание Антон Людерс, это явление кардинально меняет понимание природы трения. Оно возникает не из-за износа или шероховатости, а исключительно из-за коллективной динамики магнитных моментов.
«Примечательно, что трение здесь возникает исключительно за счет внутренней реорганизации, — добавляет Клеменс Бехингер. Нет износа, шероховатости поверхности и прямого контакта. Рассеивание энергии происходит исключительно за счет коллективных магнитных перестроек».
Таким образом, результаты исследования не только демонстрируют нарушение многовекового закона Амонтона-Кулона, но и предлагают принципиально новый взгляд на трибологию — науку, которая изучает процессы трения.
Открытие бесконтактного магнитного трения, управляемого гистерезисом, открывает захватывающие перспективы для создания материалов и устройств с настраиваемыми фрикционными свойствами без износа. Это может произвести революцию в микроэлектромеханике, где износ является главным врагом долговечности, а также найти применение в магнитных подшипниках, адаптивных демпферах и в изучении сверхтонких магнитных материалов, закладывая основу для новой научной дисциплины на стыке трибологии и магнетизма.
Научная публикация:
Gu, H., Lüders, A. & Bechinger, C. Non-monotonic magnetic friction from collective rotor dynamics. Nat. Mater. (2026). https://doi.org/10.1038/s41563-026-02538-1