Суперсмазывающая способность
Сверхсмазывающая способность — это режим относительного движения, при котором трение исчезает или почти исчезает. Однако определение «исчезающего» уровня трения неясно, что делает этот термин расплывчатым. В качестве специального определения можно принять кинетический коэффициент трения менее 0,01. [1] Это определение также требует дальнейшего обсуждения и уточнения.
Сверхсмазывающая способность может возникнуть, когда две кристаллические поверхности скользят друг по другу в сухом несоразмерном контакте. Впервые это было описано в начале 1980-х годов. [2] для моделей Френкеля–Конторовой и называется переходом Обри. Он был тщательно изучен как математическая модель, [3] в атомистическом моделировании [4] и в ряде экспериментальных систем. [5] [6]
Этот эффект, также называемый структурной смазывающей способностью , был подтвержден между двумя графитовыми поверхностями в 2004 году. [7] Атомы графита ориентированы шестиугольно и образуют атомный ландшафт холмов и долин, похожий на ящик для яиц. Когда две графитовые поверхности совпадают (каждые 60 градусов), сила трения высока. Когда две поверхности повернуты вне совмещения, трение значительно уменьшается. Это похоже на два ящика для яиц, которые могут легче скользить друг по другу, когда они «повернуты» друг относительно друга.
О наблюдении сверхсмазывающей способности в микромасштабных графитовых структурах сообщалось в 2012 году. [8] разрезав квадратную графитовую мезу диаметром несколько микрометров и наблюдая за самоутягиванием срезанного слоя. Подобные эффекты были также описаны теоретически. [9] для модели слоев графена и никеля. Это наблюдение, которое воспроизводится даже в условиях окружающей среды, смещает интерес к сверхсмазывающей способности с преимущественно академической темы, доступной только в крайне идеализированных условиях, к теме, имеющей практическое значение для микро- и наномеханических устройств. [10]
Состояние сверхнизкого трения также может быть достигнуто, когда острый кончик 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 моделью Томлинсона . [11] Порог можно значительно увеличить, возбуждая систему скольжения на ее резонансной частоте , что предполагает практический способ ограничения износа в наноэлектромеханических системах . [12]
Также наблюдалась сверхсмазывающая способность между золотым наконечником АСМ и тефлоновой подложкой из-за отталкивающих сил Ван-дер-Ваальса и слоя водородных связей, образованного глицерином на стальных поверхностях. Было также показано, что образование слоя с водородными связями приводит к сверхсмазывающей способности между поверхностями кварцевого стекла, смазанными биологической жидкостью , полученной из слизи Brasenia schreberi . Другие механизмы сверхсмазывающей способности могут включать: [13] а) термодинамическое отталкивание за счет слоя свободных или привитых макромолекул между телами, так что энтропия промежуточного слоя уменьшается на малых расстояниях из-за более сильного удержания; (б) электрическое отталкивание вследствие внешнего электрического напряжения; (в) отталкивание из-за двойного электрического слоя; (г) отталкивание из-за тепловых флуктуаций. [14]
Сходство термина «сверхсмазывающая способность» с такими терминами, как сверхпроводимость и сверхтекучесть , вводит в заблуждение; другие механизмы диссипации энергии могут привести к конечной (обычно небольшой) силе трения. Сверхсмазывающая способность более аналогична такому явлению, как сверхэластичность , при котором такие вещества, как нитинол, имеют очень низкие, но ненулевые модули упругости; переохлаждение , при котором вещества остаются жидкими до температуры ниже нормальной; суперчерный , отражающий очень мало света; гигантское магнитосопротивление , при котором наблюдаются очень большие, но конечные эффекты магнитосопротивления в чередующихся немагнитных и ферромагнитных слоях; сверхтвердые материалы , которые имеют алмаз или почти такую же твердость, как алмаз; и суперлинзирование , которые имеют разрешение, хотя и более высокое, чем дифракционный предел , но все же конечное.
Макромасштаб
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Октябрь 2021 г. ) |
В 2015 году исследователи впервые получили доказательства сверхсмазывающей способности на микромасштабе. [15] Эксперименты были подкреплены вычислительными исследованиями. Суперкомпьютер Mira . смоделировал до 1,2 миллиона атомов для сухой среды и до 10 миллионов атомов для влажной среды [15] Исследователи использовали код LAMMPS (крупномасштабный атомно-молекулярный массово-параллельный симулятор) для проведения реактивного молекулярно-динамического моделирования. Исследователи оптимизировали LAMMPS и его реализацию ReaxFF , добавив многопоточность OpenMP , заменив MPI двухточечную связь коллективами MPI в ключевых алгоритмах и усилив ввод-вывод MPI. Эти улучшения удвоили производительность.
Приложения
[ редактировать ]Известно, что трение является основным потребителем энергии; например, в подробном исследовании [16] выяснилось, что это может привести к трети потерь энергии в новых автомобильных двигателях. Суперсмазывающие покрытия могут уменьшить это явление. Потенциальные применения включают жесткие диски компьютеров, шестерни ветряных турбин и механические вращающиеся уплотнения для микроэлектромеханических и наноэлектромеханических систем. [17]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мюзер, Мартин Х. (01 января 2015 г.). «Теоретические исследования сверхсмазывающей способности». В Ньекко, Энрико; Мейер, Эрнст (ред.). Основы трения и износа в наномасштабе . Нанонаука и технологии. Международное издательство Спрингер. стр. 209–232. дои : 10.1007/978-3-319-10560-4_11 . ISBN 9783319105598 .
- ^ Обри, С. (10 мая 1983 г.). «Точные модели с полной Чертовой лестницей» . Журнал физики C: Физика твердого тела . 16 (13): 2497–2508. дои : 10.1088/0022-3719/16/13/012 . ISSN 0022-3719 .
- ^ Шарма, СР; Бергерсен, Б.; Йоос, Б. (1 июня 1984 г.). «Переход Обри в конечной модулированной цепи» . Физический обзор B . 29 (11): 6335–6340. дои : 10.1103/PhysRevB.29.6335 . ISSN 0163-1829 .
- ^ Лансон, Ф (2002). «Переход Обри в реальном материале: прогноз его существования на несоизмеримой границе раздела золото/золото» . Письма по еврофизике (EPL) . 57 (1): 74–79. doi : 10.1209/epl/i2002-00543-x . ISSN 0295-5075 .
- ^ Былинский, Алексей; Ганглофф, Дориан; Считает, Ян; Вулетич, Владан (июль 2016 г.). «Наблюдение перехода типа Обри в конечных цепочках атомов посредством трения» . Природные материалы . 15 (7): 717–721. дои : 10.1038/nmat4601 . ISSN 1476-1122 .
- ^ Бразда, Т.; Сильва, А.; Манини, Н.; Ваносси, А.; Герра, Р.; Тосатти, Э.; Бехингер, К. (28 марта 2018 г.). «Экспериментальное наблюдение перехода Обри в двумерных коллоидных монослоях» . Физический обзор X . 8 (1). arXiv : 1802.09075 . дои : 10.1103/PhysRevX.8.011050 . ISSN 2160-3308 .
- ^ Динвибель, Мартин; Верховен, Гертьян С.; Прадип, Намбудири; Френкен, Йост ВМ; Хеймберг, Дженнифер А.; Зандберген, Хенни В. (24 марта 2004 г.). «Сверхсмазывающая способность графита» (PDF) . Письма о физических отзывах . 92 (12). Американское физическое общество (APS): 126101. Бибкод : 2004PhRvL..92l6101D . дои : 10.1103/physrevlett.92.126101 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 15089689 .
- ^ Лю, Цзе; Ян, Цзяруй; Грей, Франсуа; Лю, Джефферсон Чжэ; Лю, Илунь; Ван, Ибин; Ян, Яньлянь; Ченг, Яо; Чжэн, Цюаньшуй (15 мая 2012 г.). «Наблюдение микромасштабной сверхсмазывающей способности графита». Письма о физических отзывах . 108 (20). Американское физическое общество (APS): 205503. arXiv : 1104.3320 . Бибкод : 2012PhRvL.108t5503L . doi : 10.1103/physrevlett.108.205503 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 23003154 . S2CID 119192523 .
- ^ Джахангиров С.; Чирачи, С.; Озчелик, В. Онгун (21 мая 2013 г.). «Сверхсмазывающая способность за счет мультислоев графена между поверхностями Ni (111)» . Физический обзор B . 87 (20): 205428. arXiv : 1305.3136 . doi : 10.1103/PhysRevB.87.205428 – через APS.
- ^ Графитовая суперсмазка работает в микронном масштабе Филип Робинсон, Chemistry World, 28 мая 2012 г. [1]
- ^ Соколюк, А.; Бенневиц, Р.; Некко, Э.; Мейер, Э. (1 апреля 2004 г.). «Переход от прерывистого движения к непрерывному скольжению в атомном трении: вход в новый режим сверхнизкого трения». Письма о физических отзывах . 92 (13). Американское физическое общество (APS): 134301. Бибкод : 2004PhRvL..92m4301S . дои : 10.1103/physrevlett.92.134301 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 15089616 .
- ^ Соколюк, Анишоара; Ньекко, Энрико; Майер, Сабина; Пфайффер, Оливер; Баратов, Алексис; Бенневиц, Роланд; Мейер, Эрнст (14 июля 2006 г.). «Управление трением на атомном уровне путем приведения в действие контактов нанометрового размера». Наука . 313 (5784). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 207–210. Бибкод : 2006Sci...313..207S . дои : 10.1126/science.1125874 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 16840695 . S2CID 43269213 .
- ^ Попов, Валентин Львович (2020). «Контакты с отрицательной работой «адгезии» и сверхсмазывающей способности» . Границы в машиностроении . 5 . дои : 10.3389/fmech.2019.00073 .
- ^ Чжоу, Юнонг; Ван, Анле; Мюзер, Мартин Х. (2019). «Как тепловые колебания влияют на отталкивание твердых стенок и, следовательно, на контактную механику Герца» (PDF) . Границы в машиностроении . 5 . дои : 10.3389/fmech.2019.00067 .
- ^ Jump up to: а б Берман, Диана; Дешмух, Санкет А.; Шанкаранараянан, Субраманианский КРС; Эрдемир, Али; Сумант, Анирудха В. (5 июня 2015 г.). «Макромасштабная сверхсмазывающая способность, обеспечиваемая образованием графеновых наносвитков» . Наука . 348 (6239): 1118–1122. дои : 10.1126/science.1262024 . ISSN 0036-8075 .
- ^ Холмберг, Кеннет; Андерссон, Питер; Эрдемир, Али (2012). «Глобальное потребление энергии из-за трения в легковых автомобилях» . Международная Трибология . 47 : 221–234. дои : 10.1016/j.triboint.2011.11.022 . ISSN 0301-679X .
- ^ «Сверхсмазывающая способность – почти нулевое трение от наноалмазов | Анирудха Сумант | TEDxNaperville» . Ютуб. 30 ноября 2018 г. Проверено 1 апреля 2022 г.