Суперсмазочность - Superlubricity
Сверхсмазка - это режим движения, при котором трение исчезает или почти исчезает. Что такое «исчезающий» уровень трения, не ясно, что делает термин «суперсмазка» довольно расплывчатым. В качестве специального определения можно принять кинетический коэффициент трения менее 0,01. Это определение также требует дальнейшего обсуждения и уточнения.
Сверхсмазка может возникнуть, когда две кристаллические поверхности скользят друг по другу в сухом несоразмерном контакте. Этот эффект, также называемый структурной смазывающей способностью , был предложен в 1991 году и подтвержден с большой точностью между двумя поверхностями графита в 2004 году. Атомы в графите ориентированы гексагонально и образуют атомный ландшафт холмов и долин, который выглядит как яйцо. - ящик. 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.
О наблюдении сверхсмазки в микромасштабных структурах графита сообщалось в 2012 году при срезании квадратной графитовой мезы в несколько микрометров в поперечнике и наблюдении самоудтягивания срезанного слоя. Теоретически подобные эффекты были описаны и 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.
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 модели Томлинсона . Порог можно значительно увеличить, возбуждая скользящую систему на ее резонансной частоте , что предлагает практический способ ограничения износа в наноэлектромеханических системах .
Между золотым наконечником АСМ и тефлоновой подложкой также наблюдалась сверхсмазка из-за отталкивающих сил Ван-дер-Ваальса и водородно-связанного слоя, образованного глицерином на стальных поверхностях. Было также показано, что образование водородно-связанного слоя приводит к сверхсмазочности между поверхностями кварцевого стекла, смазанными биологической жидкостью, полученной из слизи Brasenia schreberi . Другие механизмы сверхсмазки могут включать: (а) 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.
Сходство термина сверхсмазка 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 , при которых такие вещества, как нитинол, имеют очень низкие, но ненулевые модули упругости; переохлаждение , при котором вещества остаются жидкими до температуры ниже нормальной; супер черный , который очень мало отражает свет; гигантское магнитосопротивление , при котором наблюдаются очень большие, но конечные эффекты магнитосопротивления в чередующихся немагнитных и ферромагнитных слоях; сверхтвердые материалы , которые являются алмазами или почти такими же твердыми, как алмаз; и суперлинзирование , которые имеют разрешение, которое, хотя и меньше дифракционного предела , все же является конечным.
Сверхсмазка на макроуровне
В 2015 году в « Аргонне » команде под руководством доктора Анирудхи Суманта впервые удалось экспериментально продемонстрировать суперсмазку в истинном микромасштабе [8]. Подробные экспериментальные исследования были подтверждены сложными вычислительными исследованиями. Ученые в Аргонне использовали Mira [суперкомпьютер] для моделирования до 1,2 миллиона атомов для сухой среды и до 10 миллионов атомов для влажной среды [8]. Исследователи использовали код LAMMPS (Large-scale Atomic / Molecular Massively Parallel Simulator) для выполнения вычислений требующие моделирования реактивной молекулярной динамики. Эта команда оптимизировано LAMMPS и ее реализации ReaxFF путем добавления OpenMP многопоточность, заменяя MPI точка-точка связи с MPI коллективов в ключевых алгоритмов, а также использование MPI I / O. 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 жесткие диски компьютеров, шестерни ветряных турбин и механические вращающиеся уплотнения для микроэлектромеханических и наноэлектромеханических систем. Последние выступления доктора Суманта на TEDX о Superlubricity можно найти здесь: https://www.youtube.com/watch?v=ml1Rj6_W3eY
Смотрите также
Рекомендации
8. Макромасштабная сверхсмазка, обусловленная формированием графеновых наноскроллей ; Д. Берман, С. А. Дешмух, СКРС Шанкаранараянан, А. Эрдемир, А. В. Сумант. Наука, 2015; 348 (6239): 1118 DOI: 10.1126 / science.1262024