Kemiske og fysiske årsager til friktion på overflader med atomare trin

Friktion er resultatet af et sæt komplekse processer, der virker sammen for at modstå relativ bevægelse. På trods af denne kompleksitet, Friktion beskrives ofte ved hjælp af simple fænomenologiske udtryk, der relaterer normal- og sidekræfter via friktionskoefficienten. Den definerede parameter omfatter flere, nogle gange konkurrerende effekter. For bedre at forstå oprindelsen af ​​friktion, Zhe Chen og et tværfagligt team af forskere i afdelingerne for kemiteknik, maskinteknik og materialeforskning studerede en kemisk og topografisk veldefineret grænseflade mellem silica og grafit ved hjælp af en enkelt-lags grafen trinkant-opsætning.

Forskerholdet identificerede de separate bidrag fra fysiske og kemiske processer til friktion og viste, at en enkelt friktionskoefficient kunne adskilles i to termer svarende til disse effekter. Resultaterne gav indsigt i den kemiske og topografiske oprindelse af friktion som en vej til tuning af overflader ved at udnytte konkurrerende friktionsprocesser. Resultaterne er nu offentliggjort på Videnskabens fremskridt .

Friktion opstår ved grænsefladen mellem to faste overflader, der er i kontakt og bevæger sig med forskellige hastigheder eller retninger. Da friktion kan svare til spildt energi, forskere bruger parameteren til at bestemme effektiviteten og levetiden for alle bevægelige systemer fra biologiske til aeronautiske. Friktionskraft ( F _f ) er ofte lineært proportional med den påførte belastning ( L ) på mikroskala og proportionaliteten af ​​dette forhold, kendt som friktionskoefficienten (COF) symboliseres med µ og udtrykkes som Amontons lov.

Klæbekræfter (F _-en ) kan blive signifikant på nanoskala for at introducere en yderligere betegnelse for molekylære mekanismer af tribologi i tynde film. Mens udtrykket er fænomenologisk enkelt og har haft værdi i eksperimenter i årtier, de faktiske mekanismer til at bestemme størrelsen af ​​COF er meget komplicerede. Fysikere havde tidligere foreslået, at friktion skulle have rent fysisk oprindelse med relaterede kemiske processer til at forekomme i glidende overflader. Men samspillet i den observerede friktion er indtil videre kun dårligt forstået, da friktion typisk er forbundet med overfladeslid alene. I nærværende arbejde, derfor, Chen et al. brugt en kemisk og topografisk veldefineret grænseflade til at identificere bidragene fra fysiske og kemiske processer til friktion uden at tage højde for overfladeslid for at opnå grundlæggende indsigt i oprindelsen af ​​den ofte rapporterede, men dårligt forståede COF (friktionskoefficient).

Forskerne brugte et modelsystem indeholdende en atomkraftmikroskopi (AFM) sonde lavet af silicium kaldet en silicaspids, og en grafitoverflade med en enkeltlags grafen-trinkant. Basalplanet af grafit gav en kemisk inert og fejlfri flad overflade. Det eksponerede grafenark øverst var proportionalt med det underliggende lag, tilvejebringelse af en topografisk mindst korrugeret overflade til friktionstest. Det eksperimentelle system indeholdt en enkelt-lags grafen trinkant på grafitoverfladen, at tilvejebringe en veldefineret topografi med en højdeændring på 0,34 nm over en afstand svarende til en kemisk bindingslængde for at danne et atomart trin. Forskerholdet modellerede det samme system ved hjælp af simuleringer af reaktiv molekylær dynamik (MD), genskabe toppen af ​​silicaspidsen på de øverste lag af grafen i grafitten, tæt på trinkanten. De gav mulighed for beregningsmæssige og eksperimentelle undersøgelser af grænsefladeforskydningen af ​​en silicaoverflade på en atomisk flad overflade, og på et kemisk eller topografisk veldefineret træk ved trinnet, under studiet. Den eksperimentelle model stemte overens med beregningssimuleringen for at give indsigt i friktionens oprindelse på atomniveau.

Under målinger af grafen-trinkanten med en silica AFM-spids, forskerholdet opnåede en COF på omkring 0,1, tæt på værdien observeret på forskellige overflader under elastiske deformationstests. Under step-down i den AFM tip-baserede opsætning, Chen et al. observerede mere komplicerede friktionsreaktioner, hvor friktionen svingede under topografiske højdeændringer. De observerede ændringer svarede ikke til topografi alene, men holdet kunne ikke skelne mellem de kemiske og fysiske effekter i systemet. For at udforske disse oprindelser, de analyserede friktion som funktion af belastning og observerede belastningsafhængighed af friktion på grafitterrassen og ved grafentrinkanten fra både eksperimentelle undersøgelser og simuleringer. Resultaterne bekræftede, at simuleringerne gav atomær indsigt i grænsefladeprocesserne ved kompleks friktionsadfærd. De kvantificerede COF i systemet med bærende friktion for at isolere de kemiske og fysiske bidrag. Forskerholdet brugte den atomare skala information observeret i simuleringerne til yderligere indsigt.

For at kvantificere fysiske bidrag til friktion i den reaktive MD-simulering, forskerne brugte først forskydningsbelastningen af ​​silicaspidsen. De kvantificerede derefter de kemiske bidrag ved hjælp af antallet af hydrogenbindinger dannet mellem silicaspidsen og grafitoverfladen under eksperimentet. De observerede ikke signifikante fysiske eller kemiske interaktioner, når silicaspidsen gled hen over grafitbasalplanet, som de brugte til at forklare den eksperimentelle supersmøreevne af COF beregnet (~0,003) i undersøgelsen. Imidlertid, under atomar step-up, de fysiske (belastning) og kemiske (hydrogenbinding) mekanismer øgede synergistisk modstand mod glidning, hvilket får COF til at blive 100 gange større ved atomart step-up end ved grafittens basalplan. Forskerne registrerede lignende observationer for nedtrapningsmodstandskraften på grund af hydrogenbindingsinteraktioner.

På denne måde Zhe Chen og kolleger brugte COF'er og MD-simuleringer sammen, at give indsigt i friktionens fysiske og kemiske oprindelse. De opnåede supersmøreevne i forsøgsopstillingen, når belastningen induceret af topografien og sammenlåsning, samt kemisk binding ved forskydningsplanet var ubetydelig. Holdet observerede stor friktion i opsætningen, da stigningen over den 0,34 nm høje grafen-trinkant forårsagede kombinerede fysiske effekter fra topografi og kemiske effekter på grund af grænsefladebinding. Under nedtrappende bevægelse i eksperimenterne, den negative topografiændring frembragte en kraft til at hjælpe med glidende bevægelse, mens de kemiske bindinger mellem de modsat bevægende overflader frembragte en modstandskraft. Forskerholdet viste, at balancering af disse to komponenter kunne afgøre, om friktionen og COF i et eksperimentelt system i sidste ende var positiv eller negativ.

Resultaterne forklarede vanskeligheden ved at opnå superlubricitet på atomisk ru overflader - medmindre de topografiske overfladetræk var kemisk inerte. I alt, resultaterne tyder på muligheden for at justere COF med foreskrevne topografiske træk og forudbestemte kemiske grupper. Selvom konceptet ikke umiddelbart forbedrer industrielle anvendelser af friktion, det giver grundlæggende indsigt i friktionens kemiske og topografiske oprindelse og har derfor et betydeligt løfte om fremtidige videnskabelige fremskridt med hensyn til at minimere resistens ved tribologiske grænseflader. Chen et al. forestille sig, at arbejdet vil åbne muligheder for justerbar friktion i anvendt fysik.

© 2019 Science X Network