Supersmøreevne i mikroskala kan bane vejen for fremtidige forbedrede elektromekaniske enheder

Smøreevne måler reduktionen i mekanisk friktion og slid af et smøremiddel. Disse er hovedårsagerne til komponentfejl og energitab i mekaniske og elektromekaniske systemer. For eksempel, en tredjedel af den brændstofbaserede energi i køretøjer bruges på at overvinde friktion. Så supersmøreevne - tilstanden med ultralav friktion og slid - lover stort for reduktionen af ​​friktionsslid i mekaniske og automatiske enheder.

En ny fælles Tel Aviv University/Tsinghua University undersøgelse finder, at robust strukturel supersmøreevne kan opnås mellem uens, materialer i mikroskala under høje eksterne belastninger og omgivende forhold. Forskerne fandt ud af, at mikroskala-grænseflader mellem grafit og sekskantet bornitrid udviser ultra-lav friktion og slid. Dette er en vigtig milepæl for fremtidige teknologiske anvendelser i rummet, bilindustrien, elektronik og medicinsk industri.

Forskningen er resultatet af et samarbejde mellem prof. Oded Hod og prof. Michael Urbakh fra TAU's Kemiskole; og prof. Ming Ma og prof. Quanshui Zheng fra Tsinghua Universitys afdeling for maskinteknik og deres kolleger. Den blev gennemført i regi af det fælles TAU-Tsinghua-samarbejds XIN-center og blev offentliggjort i Naturmaterialer den 30. juli.

Enorme implikationer for computere og andre enheder

Den nye grænseflade er seks størrelsesordener større i overfladeareal end tidligere målinger på nanoskala og udviser robust supersmøreevne i alle grænsefladeorienteringer og under omgivende forhold.

"Superlubricitet er et meget spændende fysisk fænomen, en tilstand med praktisk talt nul eller ultra-lav friktion mellem to kontaktflader, " siger Prof. Hod. "De praktiske implikationer af at opnå robust supersmøreevne i makroskopiske dimensioner er enorme. De forventede energibesparelser og slidforebyggelse er enorme."

"Denne opdagelse kan føre til en ny generation af computerharddiske med en højere tæthed af lagret information og øget hastighed for informationsoverførsel, for eksempel, " tilføjer Prof. Urbakh. "Dette kan også bruges i en ny generation af kuglelejer for at reducere rotationsfriktion og understøtte radiale og aksiale belastninger. Deres energitab og slid vil være væsentligt lavere end i eksisterende enheder."

Den eksperimentelle del af forskningen blev udført ved hjælp af atomkraftmikroskoper på Tsinghua, og de fuldt atomistiske computersimuleringer blev gennemført på TAU. Forskerne karakteriserede også graden af ​​krystallinitet af de grafitiske overflader ved at udføre spektroskopimålinger.

Tæt samarbejde

Undersøgelsen udsprang af en tidligere forudsigelse fra teoretiske og beregningsmæssige grupper på TAU om, at robust strukturel supersmøring kunne opnås ved at danne grænseflader mellem materialerne grafen og sekskantet bornitrid. "Disse to materialer er i øjeblikket i nyhederne efter 2010 Nobelprisen i fysik, som blev præmieret for banebrydende eksperimenter med det todimensionelle materiale grafen. Superlubricitet er en af ​​deres mest lovende praktiske anvendelser, " siger prof. Hod.

"Vores undersøgelse er et tæt samarbejde mellem TAU's teoretiske og beregningsmæssige grupper og Tsinghuas eksperimentelle gruppe, " siger prof. Urbakh. "Der er et synergisk samarbejde mellem grupperne. Teori og beregningsfoder laboratorieforsøg, der, på tur, give vigtige erkendelser og værdifulde resultater, der kan rationaliseres via beregningsstudierne for at forfine teorien."

Forskergrupperne fortsætter med at samarbejde på dette felt, hvor de studerer de grundlæggende principper for supersmøring, dens omfattende applikationer og dens effekt i stadig større grænseflader.