Forskning viser mekanismen bag slid på atomare skala

(Phys.org)—Slid er en kendsgerning. Når overflader gnider mod hinanden, de nedbrydes og mister deres oprindelige form. Med mindre materiale til at starte med og funktionalitet, der ofte afhænger kritisk af form og overfladestruktur, slid påvirker objekter i nanoskala stærkere end deres modstykker i makroskala.

Værre, mekanismerne bag slidprocesser er bedre forstået for ting som bilmotorer end nanoteknologiske enheder. Men nu, forskere ved University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science har eksperimentelt demonstreret en af ​​mekanismerne bag slid i den mindste skala:overførsel af materiale, atom for atom, fra en overflade til en anden.

Forskningen blev udført af Tevis Jacobs, en ph.d.-studerende ved Institut for Materialevidenskab og Teknik, og Robert Carpick, afdelingsformand for Mekanik og Anvendt Mekanik.

Deres forskning blev offentliggjort i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

På nanoskalaen, slid forstås hovedsageligt gennem to processer, brud og plastisk deformation. Brud er, hvor store stykker af en overflade brækker af på én gang, som når spidsen af ​​en blyant knækker af midt i en sætning. Plastisk deformation er, hvad der sker, når overfladen ændrer form eller komprimeres uden at gå i stykker, som når kanten af ​​kniven bliver sløv eller bøjet.

Disse mekanismer påvirker typisk tusinder eller millioner af atomer ad gangen, hvorimod nanoskala slid ofte forløber gennem en meget mere gradvis proces. At bestemme mekanismerne bag denne mere gradvise proces er nøglen til at forbedre sådanne enheder.

"På nanoskalaen, slid er et meget stort problem, " siger Jacobs. "Nanoteknologi udvikler mindre og mindre dele til meget små maskiner. Deres kontaktflader slides meget hurtigt, nogle gange overlever i hundredvis af cyklusser, når de skal overleve i billioner eller mere."

En slidmekanisme, der var blevet antaget for nanoskalaen, er en proces kendt som atomar slid. der, atomer fra den ene overflade overføres til den anden overflade via en række individuelle bindingsdannende og bindingsbrydende kemiske reaktioner. Andre forskere har forsøgt at teste denne proces ved at bringe to overflader i kontakt og glide den ene mod den anden.

Disse tidligere undersøgelser involverede atomkraftmikroskoper. Brug af en AFM involverer at trække en meget skarp spids monteret på en fleksibel cantilever over en overflade, mens en laser rettet mod cantilever præcist måler, hvor meget spidsen bevæger sig. Ved at bruge spidsen som en af ​​overfladerne i et slideksperiment, forskere kan præcist kontrollere glideafstanden, glidehastighed og belastning i kontakten. Men AFM visualiserer slet ikke eksperimentet; mængden af ​​atomer tabt fra spidsen kan kun udledes eller undersøges efter kendsgerningen, og de konkurrerende slidmekanismer, brud og plastisk deformation kan ikke udelukkes.

Penn-holdets gennembrud var at udføre slideksperimenter i AFM-stil inde i et transmissionselektronmikroskop, eller TEM, som passerer en elektronstråle gennem en prøve (i dette tilfælde, nanoskalaspidsen) for at generere et billede af prøven, forstørret mere end 100, 000 gange.

Ved at modificere et kommercielt mekanisk testinstrument, der fungerer inde i en TEM, forskerne var i stand til at skubbe en flad diamantoverflade mod siliciumspidsen af ​​en AFM-sonde. Ved at sætte sonde-cantilever-samlingen inde i TEM'en og køre slideksperimentet der, de var i stand til samtidig at måle afstanden spidsen gled, kraften, hvormed den kom i kontakt med diamanten og mængden af ​​fjernede atomer i hvert glidende interval.

"Vi kan se hele processen live for at se, hvad der sker, mens overfladerne er i kontakt, " sagde Jacobs. "Så, efter hver gang, vi bruger TEM'en som et kamera og tager et endnu højere forstørrelsesbillede af spidsen. Vi kan spore dens omrids og se, hvor meget volumen der er gået tabt, ned til så lille som 25 kvadratnanometer, eller omkring 1250 atomer.

"Vi måler ændringer i volumen, der er tusind gange mindre, end det kan ses ved hjælp af andre teknikker til sliddetektion."

Selvom denne nye mikroskopimetode ikke kan afbilde individuelle atomer, der bevæger sig fra siliciumspidsen til diamantstansen, det gjorde det muligt for forskerne at se den atomare struktur af slidspidsen godt nok til at udelukke brud og plastisk deformation som mekanismen bag spidsens slid. At bevise, at siliciumatomerne fra spidsen var bundet til diamanten og derefter blev bagved involverede at kombinere visuelle data og kraftdata til en matematisk test.

"Hvis atomnedslidning er det, der sker, " sagde Carpick, "så er hastigheden, hvormed disse bindinger dannes, og afhængigheden af ​​kontaktspænding - kraften pr. arealenhed - veletableret videnskab. Det betyder, at vi kan anvende kemisk kinetik, eller reaktionshastighedsteori, til slidprocessen."

Nu hvor de kunne måle volumen af ​​fjernede atomer, afstanden spidsen gled og kraften af ​​kontakten for hver eksperimentel test, forskerne kunne beregne den hastighed, hvormed silicium-diamant-bindingerne dannes under forskellige forhold og sammenligne det med forudsigelser baseret på reaktionshastighedsteori, en teori, der rutinemæssigt bruges i kemi.

"Jo mere kraft atomerne er under, jo mere sandsynligt, at de danner en binding med et atom på den modsatte overflade, så slidhastigheden bør accelerere eksponentielt med yderligere stress, " sagde Jacobs. "At se det i de eksperimentelle data var en rygende pistol. Tendensen i dataene indebærer, at vi kan forudsige spidsens slidhastighed, kun at kende stressniveauet i kontakten, så længe denne slidmekanisme er dominerende."

For nu, disse forudsigelser kan kun laves om sliddet af silicium på diamant i et vakuum, selvom valget af disse to materialer ikke var tilfældigt. De er almindelige i nanoskalaenheder og værktøjer til nanofremstilling.

Matematikken bag den atomare nedslidningsmekanisme kunne i sidste ende anvendes på en fundamental måde.

"Målet med denne forskningsvej er at komme til det punkt, hvor du fortæller mig de materialer, der er i kontakt, og du fortæller mig den periode, de er i kontakt med og de påførte spændinger, og jeg vil være i stand til at fortælle dig, hvor hurtigt atomer vil blive fjernet, sagde Jacobs.

"Med en grundlæggende forståelse af slid, du kan smart designe overflader og vælge materialer til at lave længere holdbare enheder, " sagde Carpick.

Denne grundlæggende, prædikativ forståelse af slid kunne i høj grad forbedre nanomekanisk design, øget funktionalitet og reducerede omkostninger.