Коротко — потому что амонтоновские законы $Ffr=\mu N,независимостьотплощадиконтактаискорости$ выведены для макроскопических тел с множеством микроскопических асперитных контактов, где реальная площадь контакта пропорциональна нормальной нагрузке. На микро‑ и наноуровне соотношения меняются: доля сил, действующих по поверхности, возрастает $площади/объёмыменяются$, контакты часто одномикронные или атомарные, проявляются адгезия, мениски, электрические и квантовые эффекты. Поэтому Ffr перестаёт быть просто μN и становится нелинейной функцией нормальной нагрузки, площади, химии поверхности, влажности, скорости и температуры.

Ниже — основные дополнительные силы/явления и их влияние.

1) Адгезия $ван‑дер‑Ваальсовысилы,химическаясвязность,окислы$

Механизм: при расстояниях порядка нанометров действуют межмолекулярные силы; при химическом сродстве или окисных плёнках может образовываться химическая связка.Масштаб и модель: для сферического контакта понятны JKR/DMT модели; сила отрыва по JKR ∼ $3/2$πRΔγ $R—радиус,\Delta \gamma —удельнаяповерхностнаяэнергия$. Адгезия даёт вклад, независимый $илислабонаправленный$ от внешней нормальной нагрузки.Эффект: при малых нагрузках адгезионная сила может превышать N, вызывая «прилипания», высокое статическое трение $stiction$ и нестабильность при отпускании.

2) Капиллярные $менискные$ силы

Механизм: при наличии слоя влаги или конденсата между контактирующими поверхностями образуется мениск; сила притяжения пропорциональна радиусу и поверхностному натяжению.Оценка: для сферы- плоскость Fcap ≈ 4πRγ cosθ $приближённо$. Для R ∼ 0.1–10 μm и γ$вода$=0.072 N/m это сотни нано- до микроньютонов — легко сравнимо с силами восстанавливающих плеч в MEMS.Эффект: сильная зависимость от влажности; устройства «схватываются» после выхода в атмосферу. Капиллярные силы часто самые доминирующие в обычной среде.

3) Электростатические и электромагнитные силы

Механизм: остаточные заряды, контактная разность потенциалов, индуцированные заряды между элементами приводят к притяжению/отталкиванию. На очень малых расстояниях — эффект Казимира $квантово‑флуктуационный$.Эффект: добавляют постоянный или прерывающийся вклад, который может зависеть от геометрии и обработки, особенно важны в NEMS $потомучтозазорынм–несколько10нм$.

4) Квантово‑вакуумные силы $Казимира$

Механизм: флуктуации электромагнитного поля в вакууме создают притяжение между близкими металлизированными поверхностями; масштаб ~ 1/d^4 $дляплоскихпластин$.Эффект: при зазорах <100 nm могут внести заметную силу, вызвать притяжение и stiction в NEMS.

5) Атомная и структурная природа трения

Механизм: на масштабе отдельного асперита трение определяется потенциалом межатомных взаимодействий. Tomlinson/Prandtl–Tomlinson модели описывают атомарный «свист/прыжок» $stick‑slip$. При несоосности кристаллических решёток — возможна сверхскользкость $superlubricity$.Зависимость скорости и температуры: термально активированное пролистывание приводит к логарифмической зависимости силы трения от скорости; при наноуровне наблюдаются пороги силы (статическое > кинетического).Энергетические каналы рассеяния: фононы, электроны — электронное трение может быть важно в металлических контактах.

6) Контаминация и адсорбаты

Механизм: тонкие слои органики, вода, продукты обработки существенно меняют энергию поверхности и трение.Эффект: непредсказуемая вариабельность, сильное влияние на повторяемость и долговечность.

7) Пластическая деформация / плоуинг и износ

Даже в микро/нано контактах при локальных высоких давлениях может происходить пластика, образование обломков и изменение топографии, что ведёт к переходным эффектам в трении.

Последствия для MEMS/NEMS-проектирования

1) Амонтоновский μN применять напрямую нельзя — надо учитывать адгезию и поверхностные силы в расчётах стабильности, pull‑in и stiction.
2) Надёжность и выход изделий под угрозой: при освобождении $release$ и при экспозиции в атмосфере возможна потеря подвижности из‑за капиллярных и адгезионных сил.
3) Практические стратегии проектирования и смягчения:

Минимизировать контактную площадь: точки контакта, выступы $bumps$, микротекстурирование, «anti‑stiction dimples».Снижать удельную поверхностную энергию: наноплёнки, фторсодержащие SAM $FDTS$, DLC покрытия, гидрофобизация.Контроль атмосферы и упаковки: вакуумная или инертная упаковка, контролируемая влажность, вакуумная сборка.Избегать скользящих контактов: предпочтение гибкому упругому креплению $контакт/безконтакта$, электростатические или магнитные приводы, ротационные подшипники с тонким гидродинамическим/аэростатическим слоем $есливозможно$.Повышение жёсткости: чтобы возвратная сила превышала адгезионные силы $увеличитьspringconstant$, но это часто конфликтует с требованиями чувствительности/энергопотребления.Использование поверхностных покрытий и смазок на молекулярном уровне: SAM, жидкие смазки и капельные смазки малопригодны; лучше — химически связанные тонкие слои.Проектирование технологического процесса: дегидратация, плазменная очистка, избегать органических остатков, контроль release‑step $сушкакритическойточкой,CO2criticalpointdrying$ для предотвращения капиллярной конденсации.Мультимасштабное моделирование: сочетание MD/атомных расчётов $дляконтакта$ и адгезионной контактной механики $JKR/DMT/Maugis$ для оценки силы прилипания и трения.

4) Тестирование и метрики

Для MEMS/NEMS трение/адгезия измеряют через спектры сил считывания, pull‑off force, циклы образования/разрыва контакта; необходимо тестирование в реальных эксплуатационных условиях $влажность,загрязнения,температура$.Надо учитывать скорость и температурную зависимость $термальноактивированныепроцессы$.

Короткие практические правила

На микро/наноуровне трение — это не просто μN. Нужно добавлять адгезионные и капиллярные силы в расчёты.Управляйте поверхностной энергией и средой $коatings+упаковка$.Проектируйте элемент с запасом по возвратным силам или минимизируйте контактную площадь.Применяйте соответствующие модели $JKR/DMT,Tomlinson$ и мультимасштабную симуляцию при проектировании.

Если хотите, могу:

привести численные примеры расчёта адгезии/капиллярной силы для конкретных размеров/материалов;порекомендовать покрытия и технологические приёмы для конкретной MEMS‑структуры;подготовить список публикаций и стандартных моделей $JKR/DMT/Maugis,Prandtl–Tomlinson,Casimir$.