Сверхсмазочность - Superlubricity

Пена в коробка для яиц который моделирует атомную структуру поверхности графита, соизмеримую благодаря выравниванию на этой фотографии
Несоизмеримые из-за извилистости, поэтому долины и холмы не выстраиваются в линию

Сверхсмазочность это режим движения, в котором трение исчезает или почти исчезает. Что такое «исчезающий» уровень трения, не ясно, что делает термин «суперсмазка» довольно расплывчатым. Как для этого случая определение, кинетический коэффициент трения может быть принято менее 0,01.[1] Это определение также требует дальнейшего обсуждения и уточнения.

Повышенная смазка может возникнуть, когда две кристаллические поверхности скользят друг по другу в сухом состоянии. несоизмеримый контакт. Этот эффект, также называемый структурная смазывающая способность, был предложен в 1991 г. и проверен с большой точностью между двумя графит поверхностей в 2004 году.[2]Атомы в графите ориентированы по шестиугольник образуют атомный ландшафт холмов и долин, напоминающий ящик для яиц. Когда две графитовые поверхности совпадают (каждые 60 градусов), сила трения высока. Когда две поверхности поворачиваются вне регистра, трение значительно уменьшается. Это похоже на два ящика для яиц, которые могут легче скользить друг по другу, когда они «скручены» относительно друг друга.

В 2012 году сообщалось о наблюдении сверхсмазки в микромасштабных структурах графита.[3] разрезая квадратную графитовую мезу на несколько микрометров в поперечнике и наблюдая самоудтягивание срезанного слоя. Подобные эффекты также были описаны теоретически.[4] для модели слоев графена и никеля. Это наблюдение, воспроизводимое даже в условиях окружающей среды, смещает интерес к суперсмазке с преимущественно академической темы, доступной только в идеализированных условиях, к теме, имеющей практическое значение для микро- и наномеханических устройств.[5]

Состояние сверхнизкого трения также может быть достигнуто, когда острый наконечник скользит по плоской поверхности, а приложенная нагрузка ниже определенного порога. Такой порог «суперсмазки» зависит от взаимодействия наконечника с поверхностью и жесткости контактирующих материалов, как описано в Модель Томлинсона.[6]Порог можно значительно увеличить, возбудив раздвижную систему на ее резонансная частота, что предлагает практический способ ограничить износ наноэлектромеханические системы.[7]

Также наблюдалась сверхсмазка между золотым наконечником АСМ и тефлоновой подложкой из-за отталкивающие силы Ван-дер-Ваальса и слой с водородными связями, образованный глицерином на стальных поверхностях. Также было показано, что образование водородно-связанного слоя приводит к сверхсмазочности между поверхностями кварцевого стекла, смазываемыми биологическая жидкость полученный из слизи Brasenia schreberi. Другие механизмы повышенной смазки могут включать:[8]: (a) Термодинамическое отталкивание из-за слоя свободных или привитых макромолекул между телами, так что энтропия промежуточного слоя уменьшается на малых расстояниях из-за более сильного удержания; б) электрическое отталкивание из-за внешнего электрического напряжения; c) отталкивание из-за двойного электрического слоя; (d) Отталкивание из-за тепловых колебаний[9].

Сходство термина сверхсмазочность с такими терминами, как сверхпроводимость и сверхтекучесть вводит в заблуждение; другие механизмы диссипации энергии могут привести к конечной (обычно небольшой) силе трения. Сверхсмазка более похожа на такие явления, как сверхэластичность, в котором такие вещества, как Нитинол имеют очень низкие, но ненулевые модули упругости; переохлаждение, в котором вещества остаются жидкими до температуры ниже нормальной; супер черный, который отражает очень мало света; гигантское магнитосопротивление, в котором наблюдаются очень большие, но конечные эффекты магнитосопротивления в чередующихся немагнитных и ферромагнитных слоях; сверхтвердые материалы алмазные или почти такие же твердые, как алмаз; и суперлинзирование, которые имеют разрешение, которое, хотя и лучше, чем предел дифракции, все еще конечно.


Сверхсмазка на макроуровне

В 2015 г. "Аргонн «Команда под руководством доктора Анирудхи Суманта смогла экспериментально продемонстрировать сверхсмазку в истинном микромасштабе [8]. Детальные экспериментальные исследования были подкреплены сложными вычислительными исследованиями. Аргоннские ученые использовали Мира [суперкомпьютер], моделирующий до 1,2 миллиона атомов для сухой среды и до 10 миллионов атомов для влажной среды. [8] Исследователи использовали ЛАМПЫ (Large-scale Atomic / Molecular Massively Parallel Simulator) код для выполнения требовательных к вычислениям симуляций реактивной молекулярной динамики. Эта команда оптимизировала LAMMPS и его реализацию ReaxFF, добавив OpenMP заправка, замена MPI двухточечная связь с коллективами MPI в ключевых алгоритмах и использование ввода-вывода MPI. В целом, эти улучшения позволили коду работать в два раза быстрее, чем раньше ». Исследовательская группа доктора Суманта уже получила три патента США на сверхсмазку, и еще несколько патентов находятся в процессе, которые потенциально могут быть использованы для приложений в сухих условиях, таких как компьютер жесткие диски, шестерни ветряных турбин и механические вращающиеся уплотнения для микроэлектромеханических и наноэлектромеханических систем. Недавнее выступление доктора Суманта на TEDX о суперсмазке можно найти здесь: https://www.youtube.com/watch?v=ml1Rj6_W3eY

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мюзер, Мартин Х. (01.01.2015). «Теоретические исследования сверхсмазочности». В Ньекко, Энрико; Мейер, Эрнст (ред.). Основы трения и износа в наномасштабе. Нанонаука и технологии. Издательство Springer International. С. 209–232. Дои:10.1007/978-3-319-10560-4_11. ISBN  9783319105598.
  2. ^ Сверхсмазывающая способность графита Мартин Динвибель, Гертян С. Верховен, Намбудири Прадип, Йост В. М. Френкен, Дженнифер А. Хаймберг и Хенни В. Зандберген Phys. Rev. Lett. 92, 126101 (2004) Дои:10.1103 / PhysRevLett.92.126101 [1]
  3. ^ Наблюдение сверхсмазки в микромасштабном графите Цзэ Лю, Цзяжуй Ян, Франсуа Грей, Джефферсон Чжэ Лю, Илунь Лю, Ибин Ван, Янлянь Ян, Яо Чэн и Цюаньшуй Чжэн Phys. Rev. Lett. 108, 205503 (2012) Дои:10.1103 / PhysRevLett.108.205503
  4. ^ Сверхсмазка благодаря многослойному графену между поверхностями Ni (111)
  5. ^ Graphite Super Lube работает в микронном масштабе Филип Робинсон, Chemistry World, 28 мая 2012 г. [2]
  6. ^ Переход от прерывистого скольжения к непрерывному скольжению при атомном трении: переход к новому режиму сверхнизкого трения Anisoara Socoliuc, Enrico Gnecco, Roland Bennewitz и Ernst Meyer Phys. Rev. Lett. 92, 134301 (2004) Дои:10.1103 / PhysRevLett.92.134301
  7. ^ Управление трением на атомном уровне с помощью контактов нанометрового размера Анисоара Соколюк, Энрико Ньекко, Сабина Майер, Оливер Пфайффер, Алексис Баратофф, Роланд Бенневиц и Эрнст Мейер Наука 313, 207 (2006) Дои:10.1126 / science.1125874
  8. ^ Попов, Валентин Л. (2020). «Контакты с отрицательной работой« адгезии »и суперсмазки». Границы машиностроения. 5. Дои:10.3389 / fmech.2019.00073.
  9. ^ Чжоу, Юнонг; Ван, Анле; Мюзер, Мартин Х. (2019). "Как тепловые флуктуации влияют на отталкивание твердых стенок и, следовательно, на механику контакта Герца". Границы машиностроения. 5. Дои:10.3389 / fmech.2019.00067.

8.Макромасштабная сверхсмазка за счет образования графенового наноспирата; Д. Берман, С. А. Дешмух, С. К. Р. Шанкаранараянан, А. Эрдемир, А. В. Сумант. Наука, 2015; 348 (6239): 1118 DOI: 10.1126 / science.1262024

внешняя ссылка