Glat, når det er vådt:Hvordan virker smøring?

I et nyligt papir i Videnskab fremskridt , forskere fra University of Amsterdam præsenterer ny eksperimentel indsigt i, hvordan smøring virker. De har udviklet en ny metode ved hjælp af fluorescerende molekyler til direkte at observere nanometriske smørefilm med en følsomhed af et enkelt molekylært lag. Deres kvantitative beskrivelse af forholdet mellem topografi, kontakttryk og smøring giver en dybere forståelse af smøring.

Friktion og slid er ansvarlig for en stor brøkdel af verdens energiforbrug og bidrager derfor enormt til drivhusemissioner. Hvert enkelt bevægeligt objekt spilder energi gennem friktion. Eksempler med stor økonomisk indvirkning kan findes i transport- og energisektoren:tænk på en forbrændingsmotor eller en gasturbine.

For at reducere friktion og slid, glidende og rullende kontakter er typisk smurt. For eksempel, i en forbrændingsmotor, motorolien fungerer som et smøremiddel, forhindrer fast-på-fast kontakt mellem stempelringen og cylindervæggen, reducerer friktion og slid ved denne grænseflade.

Tyndere smøremiddellag

Generelt, der er en tendens til tyndere smørelag på grund af stadig strengere krav til materialeanvendelse, krav om højere effektivitet, og et behov for "grønnere" smøremidler. Under disse forhold, den vellykkede smøring og langsigtede sikker drift er i stigende grad følsom over for topografien af ​​de smurte overflader. Selvom mange studier inden for ingeniørvidenskab og fysik har ført til en høj grad af forståelse for smøring, i den lille skala, hvor lag bryder op, er væsentlige spørgsmål endnu ubesvarede. Et væsentligt manglende led er en detaljeret eksperimentel indsigt i indflydelsen af ​​overfladetopografiens detaljer på overgangen mellem forskellige smøreregimer. I særdeleshed, der er megen diskussion om de fænomener, der opstår, når tykkelsen af ​​smørefilmen kun spænder over nogle få molekyler.

Forbinder overfladetopografi med smørefænomener

Grundlæggende undersøgelser, for eksempel på friktionskræfter ved hjælp af Atomic Force Microscopy, har givet en vis indsigt. Imidlertid, da disse vedrører den mikroskopiske skala, deres relevans for makroskopiske fænomener er begrænset. På den anden side, at studere samspillet mellem smøring og overfladetopografi i en makroskopisk skala er meget udfordrende, da smørelaget er begravet mellem to faste stoffer og derfor er vanskeligt tilgængeligt eksperimentelt.

I deres papir i Videnskab fremskridt , forskerne præsenterer nu resultaterne af en ny tilgang, der muliggør grundforskning på et makroskopisk niveau med meget høj opløsning, forbinder overfladetopografi med smørefænomener. Forskningen blev udført på University of Amsterdams Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) og Institute of Physics (IOP). Forskere fra det hollandske avancerede forskningscenter for nanolithografi (ARCNL), University of Twente (Enschede, Holland) og Université Paris-Saclay (Paris, Frankrig) bidrog til undersøgelsen.

Fluorescerende molekylære prober

Hos ARCNL Contact Dynamics-gruppen af ​​Dr. Bart Weber, fokus er på fundamentale aspekter af friktion og slid med relevans for positioneringsudfordringer i nanolitografi. For den forskning, der nu er offentliggjort i Videnskab fremskridt , gruppen gik sammen med prof. Fred Brouwer og prof. Daniel Bonn fra University of Amsterdam, hvor førsteforfatter Dr. Dina Petrova opnåede sin ph.d. tidligere i år.

Forskerne udførte friktionsforsøg med et helt specielt smøremiddel opfundet af de franske medforfattere Dr. Clémence Allain og prof. Pierre Audebert:en ren væske, der består af fluorescerende molekyler. Ved at smøre gennemsigtigt, glas-på-glas kontakter med denne væske, forskerne var i stand til direkte at visualisere smørefilmen med kun et par molekyler tyk. Efter excitation af den fluorescerende væske gennem glasset, de målte den lokale fluorescensintensitet, der er proportional med antallet af molekyler til stede ved grænsefladen. De eksperimentelle resultater blev sammenlignet med teoretiske forudsigelser, som co-udviklede af prof. Kees Venner fra University of Twente.

Glasovergang

Ved kvantitativt at analysere forholdet mellem overfladetopografien, smøremiddelfilmtykkelsen og friktionen, forskerne viser, at indeslutning af smøremidlet mellem glidefladerne fører til en glasovergang, hvilket betyder, at væsken bliver meget viskøs og dermed modstår at blive presset ud af grænsefladen.

Imidlertid, den øgede viskositet er ikke altid tilstrækkelig til at forhindre udpresning. Ved grænsefladen, der er en konkurrence mellem trykket og smøremidlets viskositet. Grænsefladetrykket afhænger af det bærende område, der kontrolleres af overfladetopografien:jo grovere de to overflader, jo mindre (potentielt) kontaktareal. Takket være deres eksperimentelle opsætning, forskerne var i stand til kvantitativt at beskrive denne sammenhæng mellem topografi, kontakttryk og smøring. Resultaterne giver således en dybere forståelse af, hvordan smøring fungerer og kan hjælpe med at forudsige friktionsadfærden i et væld af smurte systemer med stor samfundsmæssig påvirkning.