Forskere matcher fysiske og virtuelle atomfriktionseksperimenter

Teknologiske begrænsninger har gjort det vanskeligt at studere friktion på atomare skala, men forskere ved University of Pennsylvania og University of California, Merced, har nu gjort fremskridt i denne søgen på to fronter.

Ved at fremskynde et reelt atomkraftmikroskop og bremse en simulering af et, holdet har udført de første eksperimenter på atomare skala med friktion ved overlappende hastigheder.

Undersøgelsen blev ledet af kandidatstuderende Xin-Zhou Liu og professor og afdelingsformand Robert Carpick, både fra Institut for Mekanisk Teknik og Anvendt Mekanik i Penns School of Engineering and Applied Science, og Ashlie Martini, lektor ved UC Merced's School of Engineering, med Zhijiang Ye, en kandidatstuderende ved UC Merced. Yalin Dong, et tidligere medlem af Martinis forskningsgruppe, og Philip Egberts, dengang medlem af Carpicks forskningsgruppe, også bidraget til forskningen.

Deres undersøgelse blev offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve .

Et fænomen kendt som "stick-slip friktion" er meget ofte involveret i glidning på både makro- og atomskalaen. Modstanden forbundet med friktion er produktet af atomare kontaktpunkter mellem to objekter, der midlertidigt klæbes sammen, hvor de forbliver, indtil den påførte kraft giver tilstrækkelig elastisk energi til, at disse punkter kan bryde fra hinanden. Disse punkter glider og glider, indtil de sætter sig fast igen. I atomskala, stikpunkter forekommer for hvert gentagende sæt af atomer langs den glidende retning.

At studere de atomare interaktioner, der ligger til grund for stick-slip-friktion, er i sagens natur vanskeligt, da kontaktpunkterne er tilsløret ved at skylle mod hinanden. For at komme uden om dette problem, Friktionsforskere bruger ofte spidsen af ​​et atomkraftmikroskop, eller AFM, et ultra-følsomt instrument, der er i stand til at måle nanonewton-kræfter, som et af kontaktpunkterne. Da en AFM-spids fungerer meget som en pladenål, forskere kan måle den friktion, spidsen oplever, mens den trækkes hen over overfladen. Friktionsforskere bruger også simuleringer, som kan modellere dynamikken i alle de enkelte atomer.

"En kraftfuld tilgang er at kombinere eksperimenter med simuleringer, " Liu sagde, "Men det største problem med at gøre dette tidligere har været, at glidehastighederne, hvormed eksperimenterne og simuleringerne udføres, ikke stemmer overens."

Kvaliteten af ​​målingerne i et AFM -eksperiment afhænger af at isolere spidsen fra eventuelle vildfarne vibrationer, så traditionelt trækker forskere spidsen meget langsomt, bevæger sig hurtigst omkring en mikrometer på et sekund. For at matche dette eksperiment i en simulering, de individuelle atomer i spidsen og overfladen er modelleret på en computer, og den virtuelle spids trækkes samme afstand som den rigtige AFM-spids.

Dette giver et problem, imidlertid, fordi, at fange den indvirkning, individuelle atomer har, hver frame i simuleringerne skal beregnes i femtosekund-trin. En computer, der behandler en million trin i sekundet, ville have brug for cirka 30 år for at simulere det virkelige AFM-eksperiments mikrometer-pr. Sekund hastighed.

"Det betyder at komme den samme afstand på kortere tid, vi skal flytte modelspidsen meget, meget hurtigere, sagde Martini.

Med den glidende hastighed på de virtuelle tips, der starter en million gange hurtigere end de fysiske, forskerne besluttede at mødes i midten. UC Merced-kontingenten arbejdede på at bremse spidsen i deres simuleringer, mens deres kolleger hos Penn udviklede måder at fremskynde deres fysiske eksperimenter på.

Da traditionelle motorer ikke kan flytte AFM-spidser med den nanoskopiske præcision, der er nødvendig for deres eksperimenter, spidsen og cantileveren, den er monteret på, drives af en piezoelektrisk plade. Det øverste lag af denne type af pladen flytter sig sideværts væk fra det nederste lag, når en bestemt spænding påføres, skubbe cantilever og tip hen over en prøveoverflade.

"For den opløsning, der kræves til vores atomfriktionsstudie, scanneren inde i en kommerciel AFM kan kun nå et par hundrede nanometer i sekundet, "Sagde Carpick." Det er en iboende begrænsning af instrumentet; hvis du går over den højeste hastighed, du får store svingninger i dit signal. Vores løsning var at lave en meget kompakt piezoplade og bruge den til at flytte prøven i stedet for spidsen."

Ved at flytte prøven, en tynd film af guld belagt på en siliciummatrice, i stedet for spidsen, der drives af en meget tungere scanner, Penn-holdet var i stand til radikalt at øge eksperimentets samlede hastighed. Med lavere masse, den mindre plade kan bevæge sig hurtigere uden at forårsage støjende svingninger.

"Den relative bevægelse er den samme, "Sagde Liu, "men det betyder, at vi kan gå tusind gange hurtigere end før, samtidig med at vi bibeholder den opløsning, vi har brug for. Vi var nødt til at tilføje helt ny elektronik til at fange dataene, da ingen har skullet optage det så hurtigt før."

Mens Penn-teamet fremskyndede deres systemer, UC Merced-holdet bremsede dem. Forskerne der udnyttede de relativt lange perioder med inaktivitet, hvor spidsen sad fast, venter på nok energi til at glide frem. Noget af denne energi tilvejebringes af prøvens relative bevægelse mod spidsen, men de tilfældige vibrationer af de involverede atomer, som følge af termisk energi, kan få glideovergangen til at ske hurtigere eller langsommere.

"I erkendelse af det, " sagde Martini, "giver os muligheden for at bruge en række simuleringsværktøjer til det, der kaldes 'infrequent event systems'. Dette er værktøjer til at få disse sjældne hændelser til at ske hurtigere, samtidig med at den underliggende fysik bevares. "

Ved at bruge en teknik kendt som "parallel replika-dynamik, "Martinis gruppe brugte det faktum, at sandsynligheden for, at en af ​​disse sjældne hændelser forekommer, er den samme, uanset om der blev kørt en simulering i tusind femtosekunder eller tusind simuleringer for et femtosekund hver. Kørsel af identiske simuleringer på så mange processorer som muligt, forskerne ville stoppe dem alle, så snart et virtuelt tip gled, synkroniser derefter simuleringerne på det tidspunkt og start dem alle igen.

"Dette giver os mulighed for effektivt at øge varigheden af ​​simuleringen ved at parallelisere den i tid, " sagde Martini. "Du øger simuleringstiden og reducerer derfor modelspidshastigheden med en faktor af, hvor mange processorer du har."

Ved at matche tiphastighederne i de fysiske og virtuelle eksperimenter, forskerne var i stand til at påvise en hidtil teoretisk forskel mellem makroskala og atomær slip-stick-friktion. Hastighed tager typisk ikke hensyn til mængden af ​​friktion, som objekter i makroskala støder på, men på atomskalaen kunne vibrationer af individuelle atomer på grund af termisk energi spille en rolle. Forskerne viste, at disse vibrationer modvirker friktion ved at hjælpe spidsen med at glide fremad, men kun til et punkt. Ved høje nok hastigheder, spidsen sidder ikke fast længe nok til at modtage et "boost" fra termisk energi.

"Det er vigtigt at undersøge og forstå effekten af ​​friktion ved hastighederne i vores eksperiment, " Liu sagde, "da de er meget tættere på vores nuværende og fremtidige tekniske applikationer, såsom mikro- og nanomekaniske enheder, vil opleve, end hvad vi normalt kan gøre med et atomkraftmikroskop. "

"Dette studie, " sagde Carpick, "åbner nu mange muligheder for at bruge den fulde atomare indsigt, der er tilgængelig i atomistiske simuleringer til pålideligt at fortolke resultaterne af eksperimentelle undersøgelser. Vi er optimistiske, at dette i sidste ende vil føre til generel og praktisk indsigt at forstå, kontrollere og reducere friktion og slid. "