שחיקה ובלאי הם תוצאה לא רצויה אך הכרחית. כאשר משטחים מתחככים זה בזה, הם נשברים ומאבדים את צורתם המקורית. חפצים ברמת הננו מושפעים מבלאי יותר מאשר חפצים ברמת המאקרו. זאת, בשל תנאי הפתיחה המוגבלים: פחות חומר ופונקציונאליות התלויה רבות במבנה ובצורה של פני השטח.
המכאניזם שמאחורי תהליך השחיקה מובן יותר לגבי מוצרים דוגמת מנועי מכוניות מאשר מכשור ננו-טכנולוגי. אך כעת, חוקרים מאוניברסיטת פנסילבניה, ביה"ס להנדסה ומדע יישומי, הצליחו להדגים בניסויים את אחד המנגנונים שמאחורי התהליך של יצירת הבלאי ברמה הזעירה ביותר: המעבר של חומר, אטום אחר אטום, ממשטח אחד לשני.
המחקר נוהל על-ידי טאוויס ג'ייקובס (Tevis Jacobs), דוקטורנט במחלקה למדע והנדסת חומרים ורוברט קארפיק, מהמחלקה להנדסת מכונות ומדע יישומי, וממצאיהם פורסמו במלואם במגזין Nature Nanotechnology.

שבר ודפורמציה פלסטית
ברמת הננו, שחיקה מובנת יותר באמצעות שני תהליכים, שבר ודפורמציה פלסטית. שבר מתרחש כאשר חלקים גדולים של פני השטח מתפרקים בבת-אחת, בדומה לשבירה פתאומית של חוד העיפרון בשעת כתיבה. דפורמציה פלסטית היא תהליך המתרחש כאשר המשטח משנה צורתו או נדחס ללא שבירה, בדומה לתהליך הפיכת להב הסכין לקהה או למעוותת.
מנגנוני פעולה אלו משפיעים לרוב על אלפי או מיליוני אטומים בכל פעם, בעוד ששחיקה ברמת הננו מתרחשת לעיתים רבות כתהליך הדרגתי ואיטי. קביעת המנגנונים הפועלים מאחורי תהליך מדורג זה נחשבת חיונית לגבי אפשרויות השיפור של רכיבי ננו אלו. "ברמת הננו, תהליך השחיקה מהווה בעיה משמעותית", מסביר ג'ייקובס, "תעשיית הננו-טכנולוגיה מפתחת רכיבים זעירים יותר ויותר עבור מכונות זעירות. ממשקי המגע שלהם נשחקים במהירות רבה, ולעיתים הם שורדים רק מאות בודדות של מעגלי שימוש, כאשר במקור הם תוכננו למיליארדים של מעגלי שימוש."
אחת ההיפותזות לגבי אחד ממנגנוני השחיקה ברמת הננו עוסקת בתהליך המכונה 'שחיקה אטומית' (atomic attrition). בתהליך זה אטומים עוברים בין פני השטח של שני משטחים באמצעות סדרה של ריאקציות כימיות פרטניות היוצרות ושוברות קשרים. חוקרים אחרים ניסו בעבר לבחון תהליך זה באמצעות הנחת שני משטחים תוך יצירת מגע ביניהם, והחלקת אחד המשטחים על השני. בניסויים אלו נעשה שימוש במיקרוסקופ כוח אטומי (AFM). השימוש במיקרוסקופ זה היה כרוך בגרירת קצה חד מאוד שהולבש על מוט גמיש ודקיק (בצורת מחט) על גבי המשטח, בזמן שלייזר שכוון אל המוט מודד במדויק כמה זז הקצה החד. באמצעות השימוש בקצה חד זה, כאחד המשטחים בניסוי השחיקה, החוקרים יכלו לשלוט במדויק במרחק ובמהירות הגלישה כמו גם בעומס בשעת המגע. אך מיקרוסקופ ה-AFM אינו מציג את מהלך הניסוי כלל; את נפח האטומים שאבדו מן החוד ניתן לדעת רק לאחר הניסוי, אז ניתן לבחון את החוד, ולא ניתן לפסול את אחת מאופציות המנגנונים ההיפותטיות: שבר ודפורמציה פלסטית.

פריצת דרך

פריצת הדרך שהשיגו החוקרים מאוניברסיטת Penn הייתה בכך שביצעו את הניסויים בצורה דומה לניסויי מיקרוסקופ AFM בתוך מיקרוסקופ TEM (מיקרוסקופ אלקטרונים חודר), אשר מעביר קרן של אלקטרונים באמצעות דוגמית (במקרה שלנו, החוד הננו-מטרי) על מנת ליצר תמונה של הדוגמית, המוגדלת פי 100,000 ויותר.
באמצעות שינויים בציוד בדיקה מסחרי הפועל בתוך מיקרוסקופ TEM, החוקרים יכלו להחליק משטח יהלום שטוח כנגד קצהו הסיליקוני של סורק כוח אטומי (AFM). על-ידי הנחתו של מנגנון מוט הסורק בתוככי מיקרוסקופ האלקטרונים החודר והרצתו של הניסוי כולו בתוך המיקרוסקופ, התאפשר לחוקרים למדוד את המרחק שהחוד החליק, את עוצמת הכוח שהחוד הפעיל בזמן המגע עם משטח היהלום ואת נפח האטומים שהועברו ממקומם בכל אינטרוול של החלקה.

שיטה מיקרוסקופית חדשה
"אנו יכולים לתפוס את כל התהליך בשידור חי וכך לראות מה קורה בזמן אמת כאשר המשטחים במגע", מציין ג'ייקובס, "ואז, לאחר כל מעבר שכזה, אנו משתמשים במיקרוסקופ ה-TEM כבמצלמה ולוקחים תמונה מוגדלת יותר של קצה החוד. אנו מסוגלים לעקוב אחר קווי המתאר שלו ולמדוד את מידת הנפח שאבדה, עד לרמה של 25 ננו-מטר רבועים, שמהווים כ-1,250 אטומים בערך. מדידת השינויים בנפח באמצעות שיטה זו קטנים פי 1,000 ממה שניתן להשיג באמצעות טכניקות אחרות למדידת שחיקה".
בעוד ששיטה מיקרוסקופית חדשה זו אינה מסוגלת לתת תמונה של אטומים בודדים הנעים מחוד הסיליקון למשטח החיכוך העשוי יהלום, היא אפשרה לחוקרים להבחין במבנהו האטומי של החוד הנשחק בצורה מספיק טובה על מנת לפסול שברים או דפורמציה פלסטית כאפשרות למנגנון העומד מאחורי השחיקה. ההוכחה כי אטומי הסיליקון מקצהו של החוד יצרו קשרים עם היהלום ונותרו על גבי המשטח נעשתה גם על-ידי שילוב של התמונות שהתקבלו ונתוני הפעלת הכוח בתוך בדיקה מתמטית.
"אם אכן מה שמתרחש הוא שחיקה אטומית", אומר קארפיק, "אז הקצב בו נוצרים הקשרים והתלות בלחץ המגע – הכוח ביחס לשטח היחידה – הוא למעשה מדע מבוסס. המשמעות היא שניתן ליישם קינטיקה כמכלית או תיאוריה של קצב ריאקציה בתהליך השחיקה."
כעת, משהם יכולים למדוד את נפח האטומים שהוסרו, את המרחק שהחוד החליק ואת עוצמת המגע עבור כל ניסוי בודד, החוקרים יוכלו לחשב את הקצב שבו קשרי הסיליקון-יהלום נוצרים בתנאים משתנים ולהשוות נתונים אלו לתחזיותיהם המבוססות על תיאוריית קצב הריאקציה, המשמשת כימאים באופן סדיר.
"ככל שיותר כוח מופעל על האטומים, כך יותר סביר כי ייצרו קשרים עם אטום מהמשטח הנגדי, כך שקצב השחיקה אמור להיות מואץ אקספונינציאלית בהתווסף לחץ", מסביר ג'ייקובס, "זיהוי זה שעלה מן הנתונים שבניסויים היווה למעשה את ה'אקדח המעשן'. המגמה שעלתה מן הנתונים מרמזת לכך כי ניתן לצפות את קצב השחיקה של קצה החוד, מתוך ידיעה של רמות הלחץ המופעלות בזמן המגע, כל עוד מכאניזם שחיקה זה הוא הדומיננטי".

תכנון ננו-מכאני משופר
בשלב זה, התחזיות מוגבלות רק לרמות השחיקה של סיליקון על גבי משטח יהלום בתנאי ואקום, למרות שהבחירה בשני חומרים אלו איננה מקרית. חומרים אלו משמשים תכופות ברכיבים ננו-מטריים, וככלי ייצור ברמות זעירות אלו. אך המתמטיקה שמאחורי מנגנון תהליך השחיקה האטומית עשויה להיות ישימה באופן שיתאפשר שינוי יסודי בתהליכי ייצור.
"המטרה שמאחורי המחקר היא להגיע לנקודה בה אתה תאמר לי מהם החומרים הבאים במגע, משך המגע והלחץ המופעל, ואני אוכל לספר לך את הקצב שבו האטומים יעברו מחומר אחד לשני", מסביר ג'ייקובס.
"עם ההבנה הבסיסית של תהליך השחיקה, מתאפשרים תכנון חכם יותר של משטחים, ובחירת החומרים של משטחים אלו, כך שהרכיבים הסופיים יהיו גם עמידים יותר לאורך זמן", אומר קארפיק. הבנה יסודית המאפשרת תחזיות מדויקות יותר של תהליך השחיקה יובילו בסופו של דבר לתכנון ננו-מכאני משופר, יגדילו את הפונקציונאליות של רכיבים ננו-מטריים ויפחיתו את עלויותיהם.