Нанотрибология

Нанотрибология - это раздел трибологии , изучающий явления трения , износа , адгезии и смазки в наномасштабе , где нельзя пренебречь атомными взаимодействиями и квантовыми эффектами. Целью этой дисциплины является описание и изменение поверхностей как для научных, так и для технологических целей.

Нанотрибологические исследования исторически включали как прямые, так и косвенные методологии. ^[1] Методы микроскопии, включая сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), атомно-силовой микроскоп (АСМ) и аппарат поверхностных сил (SFA), использовались для анализа поверхностей с чрезвычайно высоким разрешением, в то время как косвенные методы, такие как вычислительные методы ^[2] и микровесы на кристаллах кварца (QCM) также широко используются. ^{[3] [4]}

Изменяя топологию поверхностей в наномасштабе, трение может быть уменьшено или увеличено более интенсивно, чем макроскопическая смазка и адгезия; таким образом могут быть достигнуты суперсмазка и суперадгезия. В микро- и наномеханических устройствах проблемы трения и износа, которые являются критическими из-за чрезвычайно высокого удельного объема поверхности, могут быть решены путем покрытия движущихся частей суперсмазочными покрытиями . С другой стороны, там, где возникает проблема адгезии, нанотрибологические методы позволяют преодолеть такие трудности.

История [ править ]

Трение и износ были технологическими проблемами с древних времен. С одной стороны, научный подход последних веков к пониманию лежащих в основе механизмов был сосредоточен на макроскопических аспектах трибологии. С другой стороны, в нанотрибологии изучаемые системы состоят из нанометрических структур , где объемные силы (например, связанные с массой и гравитацией ) часто можно считать незначительными по сравнению с поверхностными силами . Научное оборудование для изучения таких систем было разработано только во второй половине 20 века. В 1969 году появился самый первый метод исследования поведения молекулярно тонкой жидкой пленки.зажатый между двумя гладкими поверхностями через ОТВС. ^[5] С этой отправной точки в 1980-х исследователи использовали другие методы для исследования поверхностей твердого тела на атомном уровне.

Прямое наблюдение трения и износа в наномасштабе началось с первого сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), который может получать трехмерные изображения поверхностей с атомарным разрешением; этот прибор был разработан Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. ^[6] СТМ может изучать только проводящие материалы, но в 1985 году с изобретением Биннингом и его коллегами атомно-силового микроскопа (АСМ) можно также наблюдать непроводящие поверхности. . ^[7] Впоследствии AFM были модифицированы для получения данных о нормальных силах и силах трения: эти модифицированные микроскопы называются микроскопами силы трения.(FFM) или микроскопы бокового усилия (LFM). Термин «нанотрибология» впервые был использован в названии публикации 1990 года, в которой сообщалось об исследованиях с помощью АСМ трения «скачкообразного» трения на алмазных пленках. ^[8] «Нанотрибология» была впервые определена как подраздел трибологии, охватывающий ряд экспериментальных и вычислительных методов в публикации 1991 г., в которой сообщалось об измерениях QCM уровней трения скольжения пленок толщиной в один атом. ^[9]

С начала 21 века компьютерные методы атомного моделирования использовались для изучения поведения отдельных неровностей, даже если они состоят из небольшого числа атомов. Благодаря этим методам можно понять природу связей и взаимодействий в материалах с высоким пространственным и временным разрешением.

Анализ поверхности [ править ]

Аппарат поверхностных сил [ править ]

SFA ( прибор поверхностных сил ) - это прибор, используемый для измерения физических сил между поверхностями, таких как адгезионные и капиллярные силы в жидкостях и парах , а также ван-дер-ваальсовы взаимодействия . ^[10] С 1969 года, когда был описан первый подобный аппарат, были разработаны многочисленные версии этого инструмента.

SFA 2000, который состоит из меньшего количества компонентов и который легче использовать и чистить, чем предыдущие версии устройства, является одним из наиболее совершенных в настоящее время устройств, используемых для нанотрибологических целей на тонких пленках , полимерах , наночастицах и полисахаридах . SFA 2000 имеет одну консоль, которая способна создавать механически грубые и электрически тонкие перемещения на семь порядков величины соответственно с катушками и с пьезоэлектрическими материалами. Сверхточное управление позволяет пользователю иметь точность позиционирования менее 1 Å . Образец захватывается двумя молекулярно гладкими поверхностями из слюды.с идеальной эпитаксиальной адгезией . ^[10]

Нормальные силы можно измерить простым соотношением:

${\ Displaystyle F_ {нормальный} (D) = k (\ Delta D_ {применено} - \ Delta D_ {измерено})}$

где - приложенное смещение с использованием одного из методов контроля, упомянутых ранее, - жесткость пружины и - фактическая деформация образца, измеренная MBI . Более того, если возникнет механическая нестабильность, нижняя поверхность перейдет в более устойчивую область верхней поверхности. Итак, сила сцепления измеряется по следующей формуле:${\ displaystyle \ Delta D_ {application}}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle \ Delta D_ {измерено}}$${\ Displaystyle {\ partial F (D) \ over \ partial D}> к}$

${\ displaystyle F_ {адгезия} = k \ Delta D_ {jump}}$.

Используя модель DMT , можно рассчитать энергию взаимодействия на единицу площади :

${\displaystyle W_{flat}(D)={F_{curved}(D) \over 2\pi R}}$

где - радиус кривизны, а - сила между циклически изогнутыми поверхностями. ^{[10] [11]}${\displaystyle R}$${\displaystyle F_{curved}(D)}$

Сканирующая зондовая микроскопия [ править ]

Такие методы СЗМ, как АСМ и СТМ, широко используются в исследованиях нанотрибологии. ^{[12] [13]} Сканирующий туннельный микроскоп используется в основном для морфологического топологического исследования чистого проводящего образца, поскольку он может дать изображение его поверхности с атомарным разрешением.

Атомно-силовой микроскоп - мощный инструмент для фундаментального изучения трибологии. Он обеспечивает сверхтонкий контакт поверхности с наконечником с точным контролем над движением и точностью измерений на атомарном уровне . Микроскоп состоит, в основном, из гибкого кантилевера с острым концом, который является частью, контактирующей с образцом, и поэтому поперечное сечение должно быть идеально атомным, но фактически нанометрическим (радиус сечения варьируется от 10 до 100 нм). В нанотрибологии AFM обычно используется для измерения нормальных сил и сил трения с разрешением в пиконьютоны . ^[14]

Зонд приближается к поверхности образца, следовательно, силы между последними атомами иглы и образцом отклоняют кантилевер пропорционально интенсивности этого взаимодействия. Нормальные силы изгибают консоль вертикально вверх или вниз от положения равновесия, в зависимости от знака силы. Нормальную силу можно рассчитать с помощью следующего уравнения:

${\displaystyle F_{normal}=k\Delta V/\sigma }$

где - жесткость кантилевера, - выходной сигнал фотодетектора , представляющий собой электрический сигнал, непосредственно связанный с перемещением кантилевера, и - чувствительность оптического рычага АСМ. ^{[15] [16]}${\displaystyle k}$${\displaystyle \Delta V}$${\displaystyle \sigma }$

С другой стороны, поперечные силы можно измерить с помощью FFM, который в своей основе очень похож на AFM. Основное отличие заключается в движении наконечника, который скользит перпендикулярно его оси. Эти боковые силы, то есть силы трения в данном случае, приводят к скручиванию кантилевера, которое регулируется таким образом, чтобы гарантировать, что только наконечник касается поверхности, а не других частей зонда. На каждом этапе крутка измеряется и связана с силой трения по следующей формуле:

${\displaystyle F_{frictional}={{\Delta Vk_{\phi }} \over {2h_{eff}\delta }}}$

где - выходное напряжение , - постоянная кручения кантилевера, - высота наконечника плюс толщина кантилевера, - чувствительность к боковому отклонению. ^[15]${\displaystyle \Delta V}$${\displaystyle k_{\phi }}$${\displaystyle h_{eff}}$${\displaystyle \delta }$

Поскольку наконечник является частью податливого устройства, кантилевера, можно указать нагрузку, и поэтому измерение выполняется в режиме управления нагрузкой; но в этом случае кантилевер имеет нестабильность с защелкиванием и отрывом, и поэтому в некоторых регионах измерения не могут быть выполнены стабильно. Этой нестабильности можно избежать с помощью методов, контролируемых смещением, одной из которых является микроскопия межфазных сил. ^{[11] [17] [18]}

Метчик может контактировать с образцом в течение всего процесса измерения, и это называется контактным режимом (или статическим режимом), в противном случае он может колебаться, и это называется режимом постукивания (или динамическим режимом). Контактный режим обычно применяется к твердому образцу, на котором наконечник не может оставить никаких следов износа, таких как шрамы и мусор. Для более мягких материалов используется режим нарезания резьбы, чтобы минимизировать влияние трения. В этом случае наконечник вибрирует пьезо и ударяет по поверхности на резонансной частоте кантилевера, то есть 70-400 кГц , и с амплитудой 20-100 нм, достаточно высокой, чтобы наконечник не прилипал к кантилеверу. образец из-за силы сцепления. ^[19]

Атомно-силовой микроскоп можно использовать в качестве наноиндентора для измерения твердости и модуля Юнга образца. Для этого применения наконечник сделан из алмаза и прижимается к поверхности примерно на две секунды, затем процедура повторяется с разными нагрузками. Твердость получается делением максимальной нагрузки на остаточный отпечаток индентора, который может отличаться от сечения индентора из-за явления втягивания или наложения. ^[20] Модуль Юнга можно рассчитать с помощью метода Оливера и Фарра, который позволяет получить соотношение между жесткостью образца, функцией площади отпечатка и его модулями Юнга и Пуассона .^[21]

Атомистические симуляции [ править ]

Вычислительные методы особенно полезны в нанотрибологии для изучения различных явлений, таких как наноиндентирование, трение, износ или смазка. ^[11] При атомистическом моделировании движение и траектория каждого отдельного атома можно отслеживать с очень высокой точностью, и поэтому эта информация может быть связана с экспериментальными результатами, чтобы интерпретировать их, подтвердить теорию или получить доступ к явлениям, которые невидимы для непосредственного изучения. Более того, при атомистическом моделировании не существует многих экспериментальных трудностей, таких как подготовка образцов и калибровка прибора.. Теоретически можно создать любую поверхность, от безупречной до самой беспорядочной. Как и в других областях, где используется атомистическое моделирование, основные ограничения этих методов связаны с отсутствием точных межатомных потенциалов и ограниченной вычислительной мощностью . По этой причине время моделирования очень часто невелико ( фемтосекунды ), а временной шаг ограничен 1 фс для фундаментального моделирования и до 5 фс для крупнозернистых моделей. ^[11]

С помощью атомистического моделирования было продемонстрировано, что сила притяжения между зондом и поверхностью образца при измерении СЗМ создает эффект перехода к контакту. ^[22] Это явление имеет совершенно иное происхождение, чем защелкивание, которое происходит в АСМ с управляемой нагрузкой, потому что последнее возникает из-за конечной податливости кантилевера. ^[11] Было обнаружено происхождение атомного разрешения АСМ, и было показано, что ковалентные связи образуются между зондом и образцом, которые доминируют во взаимодействиях Ван-дер-Ваальса, и они ответственны за такое высокое разрешение. ^[23] Моделируя сканирование АСМ в контактном режиме, было обнаружено, что вакансия или адатомможет быть обнаружен только атомарно острым наконечником. Вакансии и адатомы в бесконтактном режиме можно различить с помощью так называемой техники частотной модуляции с неатомно-острым наконечником. В заключение, только в бесконтактном режиме может быть достигнуто атомное разрешение с помощью АСМ. ^[24]

Свойства [ править ]

Трение [ править ]

Трение, сила, противостоящая относительному движению, обычно идеализируется с помощью некоторых эмпирических законов, таких как Первый и Второй законы Амонтона и закон Кулона . Однако в наномасштабе такие законы могут потерять свою силу. Например, второй закон Амонтона гласит, что коэффициент трения не зависит от площади контакта. Поверхности, как правило, имеют неровности, которые уменьшают реальную площадь контакта, и поэтому минимизация такой площади может минимизировать трение. ^[25]

В процессе сканирования с помощью АСМ или FFM игла, скользящая по поверхности образца, проходит через точки с низкой (стабильной) и высокой потенциальной энергией, определяемые, например, положениями атомов или, в более крупном масштабе, шероховатостью поверхности. . ^[19] Без учета тепловых эффектов, единственная сила, которая заставляет наконечник преодолевать эти потенциальные препятствия, - это сила пружины, создаваемая опорой: это вызывает скачкообразное движение.

На наномасштабе коэффициент трения зависит от нескольких условий. Например, при легких условиях нагрузки, как правило, ниже, чем в макромасштабе. При более высоких условиях нагружения такой коэффициент стремится к макроскопическому. Температура и скорость относительного движения также могут влиять на трение.

Смазывающая способность и суперсмазка в атомном масштабе [ править ]

Смазка - это метод, используемый для уменьшения трения между двумя поверхностями, находящимися во взаимном контакте. Как правило, смазочные материалы представляют собой жидкости, помещенные между этими поверхностями для уменьшения трения.

Однако в микро- или наноустройствах часто требуется смазка, а традиционные смазки становятся слишком вязкими, когда они ограничиваются слоями молекулярной толщины. Более эффективный метод основан на использовании тонких пленок, обычно получаемых методом осаждения Ленгмюра – Блоджетт , или самоорганизующихся монослоев ^[26].

Тонкие пленки и самоорганизующиеся монослои также используются для увеличения адгезионных явлений.

Было обнаружено, что две тонкие пленки из перфторированных смазочных материалов (PFPE) с различным химическим составом имеют противоположное поведение во влажной среде: гидрофобность увеличивает силу сцепления и снижает смазку пленок с неполярными концевыми группами; вместо этого гидрофильность имеет противоположные эффекты с полярными концевыми группами.

Суперслизость [ править ]

« Сверхсмазка - это трибологическое состояние без трения, иногда возникающее в соединениях материалов наноразмеров». ^[27]

На наномасштабе трение имеет тенденцию быть неизотропным: если две поверхности, скользящие друг относительно друга, имеют несоразмерные структуры поверхностной решетки, каждый атом подвергается разному количеству силы с разных направлений. В этой ситуации силы могут компенсировать друг друга, что приводит к почти нулевому трению.

Самое первое доказательство этого было получено с использованием СВН-СТМ для измерения. Если решетки несоизмеримы, трения не наблюдалось, а если поверхности соизмеримы, сила трения присутствует. ^[28] На атомном уровне эти трибологические свойства напрямую связаны со сверхсмазкой. ^[29]

Примером этого являются твердые смазочные материалы , такие как графит , MoS2 и Ti3SiC2: это можно объяснить низким сопротивлением сдвигу между слоями из-за слоистой структуры этих твердых тел. ^[30]

Даже если в макроскопическом масштабе трение включает в себя несколько микроконтактов с разным размером и ориентацией, на основании этих экспериментов можно предположить, что большая часть контактов будет находиться в суперсмазочном режиме. Это приводит к значительному снижению средней силы трения, что объясняет, почему такие твердые частицы обладают смазывающим эффектом.

Другие эксперименты, проведенные с LFM, показывают, что режим прерывистого скольжения не виден, если приложенная нормальная нагрузка отрицательна: скольжение наконечника плавное, а средняя сила трения кажется равной нулю. ^[31]

Другие механизмы сверхсмазки могут включать: ^[32] (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; b) электрическое отталкивание из-за внешнего электрического напряжения; c) отталкивание из-за двойного электрического слоя; (d) Отталкивание из-за тепловых колебаний. ^[33]

Смазывающая способность в атомном масштабе [ править ]

С введением AFM и FFM тепловые эффекты на смазывающую способность в атомном масштабе уже нельзя было считать незначительными. ^[34] Тепловое возбуждение может привести к многократным скачкам наконечника в направлении скольжения и назад. Когда скорость скольжения мала, наконечнику требуется много времени для перемещения между точками с низкой потенциальной энергией, а тепловое движение может вызвать множество самопроизвольных прыжков вперед и назад: следовательно, требуется боковая сила, чтобы заставить наконечник следовать за медленным движением. движение опоры невелико, поэтому сила трения становится очень низкой.

Для этой ситуации был введен термин термосмазывающая способность.

Адгезия [ править ]

Адгезия - это тенденция двух поверхностей оставаться вместе.

Внимание к изучению адгезии на микро- и наноуровне возросло с развитием АСМ: его можно использовать в экспериментах по наноиндентированию для количественной оценки сил адгезии ^{[35] [36].}

Согласно этим исследованиям, твердость оказалась постоянной в зависимости от толщины пленки, и ее определяют по формуле ^[37].

${\displaystyle H={\frac {P_{c}}{A_{c}}}}$

где - площадь отпечатка, а - нагрузка, приложенная к индентору.${\textstyle A_{c}}$${\textstyle P_{c}}$

Жесткость, определяемая как , где - глубина вдавливания, может быть получена из радиуса линии контакта индентора.${\textstyle S={\frac {dP}{dh}}}$${\displaystyle h}$${\textstyle r_{c}}$

${\displaystyle S=2\cdot E'\cdot r_{c}}$

${\displaystyle {\frac {1}{E'}}={\frac {1-\nu _{i}^{2}}{E_{i}}}+{\frac {1-\nu _{s}^{2}}{E_{s}}}}$

${\textstyle E'}$приведенная модуль Юнга, и являются индентора в модуль Юнга и коэффициент Пуассона и , одни и те же параметры для образца.${\textstyle E_{i}}$${\displaystyle \nu _{i}}$${\displaystyle E_{s}}$${\displaystyle \nu _{s}}$

Однако не всегда может быть определено прямым наблюдением; это можно вывести из значения (глубины вдавливания), но это возможно только в том случае, если нет погружения или нагромождения (идеальные условия поверхности Снеддона). ^[38]${\textstyle r_{c}}$${\textstyle h_{c}}$

Если есть, например, утопление, а индентор имеет коническую форму, ситуация описана ниже.

На изображении мы видим, что:

${\displaystyle h=h_{c}+h_{e}}$ и ${\displaystyle r_{c}=h_{c}\cdot \tan \alpha }$

Из исследования Оливера и Фарра ^[35]

${\displaystyle h_{e}=\epsilon \cdot h}$

где ε зависит от геометрии индентора; если он конический, если он сферический и если это плоский цилиндр.${\textstyle \epsilon =1-{\frac {2}{\pi }}}$${\textstyle \epsilon ={\frac {1}{2}}}$${\textstyle \epsilon =1}$

Оливер и Фарр поэтому не рассматривали силу сцепления, а только силу упругости, поэтому они пришли к выводу:

${\displaystyle F_{e}={\frac {2}{\pi }}\cdot E'\cdot \tan \alpha \cdot (h-h_{f})^{2}}$

С учетом силы сцепления ^[38]

${\displaystyle P=F_{e}+F_{a}}$

Представляя как энергию адгезии и как работу адгезии:${\textstyle W_{a}}$${\displaystyle \gamma _{a}}$

${\displaystyle W_{a}={\frac {-\gamma _{a}\cdot 4\cdot \tan \alpha }{\pi \cdot \cos \alpha }}\cdot h_{c}^{2}}$

получение

${\displaystyle F_{a}=-{\frac {\gamma _{a}\cdot 8\tan \alpha }{\pi \cdot \cos \alpha }}\cdot (h-h_{f})}$

В заключение:

${\displaystyle P(h)={\frac {2E'\cdot \tan \alpha }{\pi }}\cdot (h-h_{f})^{2}-{\frac {\gamma _{a}\cdot 8\tan \alpha }{\pi \cdot \cos \alpha }}\cdot (h-h_{f})}$

Последствия дополнительного срока адгезии видны на следующем графике:

Во время нагрузки глубина вдавливания выше, когда адгезией нельзя пренебречь: силы адгезии вносят вклад в работу вдавливания; с другой стороны, в процессе разгрузки силы сцепления препятствуют процессу вдавливания.

Адгезия также связана с капиллярными силами, действующими между двумя поверхностями в присутствии влажности. ^[39]

Применение исследований адгезии [ править ]

Это явление очень важно для тонких пленок, потому что несоответствие между пленкой и поверхностью может вызвать внутренние напряжения и, как следствие, нарушение сцепления на границе раздела.

При приложении нормальной нагрузки с помощью индентора пленка пластически деформируется, пока нагрузка не достигнет критического значения: начинает развиваться межфазная трещина. Трещина распространяется радиально, пока пленка не сморщится. ^[37]

С другой стороны, адгезия также была исследована для ее биомиметических применений: несколько существ, включая насекомых, пауков, ящериц и гекконов, развили уникальные способности лазать, которые пытаются воспроизвести в синтетических материалах.

Было показано, что многоуровневая иерархическая структура обеспечивает усиление адгезии: синтетическая адгезивная репликационная организация лап геккона была создана с использованием методов нанопроизводства и самосборки . ^[40]

Носить [ править ]

Износ связан с удалением и деформацией материала, вызванными механическими воздействиями. В наномасштабе износ не является равномерным. Механизм износа обычно начинается на поверхности материала. Относительное движение двух поверхностей может вызвать вмятины, полученные при удалении и деформации материала поверхности. Продолжительное движение со временем может увеличивать как ширину, так и глубину этих углублений.

В макромасштабе износ измеряется путем количественной оценки объема (или массы) потерь материала или путем измерения отношения объема износа к рассеиваемой энергии. Однако в наномасштабе измерение такого объема может быть затруднено, и поэтому можно использовать оценку износа, анализируя изменения в топологии поверхности, обычно с помощью сканирования АСМ. ^[41]

См. Также [ править ]

• Модель Томлинсона  - Физическая модель в нанотрибологии
• Модель Френкеля – Конторовой.

Внешние ссылки [ править ]

• Socoliuc, A; Gnecco, E; Майер, S; Pfeiffer, O; Баратов, А; Бенневиц, Р.; Мейер, Э (2006). «Управление трением в атомном масштабе с помощью контактов нанометрового размера». Наука . 313 (5784): 207–10. Bibcode : 2006Sci ... 313..207S . DOI : 10.1126 / science.1125874 . PMID  16840695 . S2CID  43269213 .
• Лаборатория нанотрибологии для хранения информации и MEMS / NEMS
• Нанотрибология на TRIBONET
• Лаборатория нанотрибологии Пенсильванского университета
• Лаборатория нанотрибологии в Государственном университете Северной Каролины
• Центр синергии исследований и образования в области трения атомного масштаба (AFRESH) - инженерная виртуальная организация для сообщества специалистов по трению атомного масштаба, позволяющая обмениваться, архивировать, связывать и обсуждать данные, знания и инструменты, связанные с трением атомного масштаба.

Ссылки [ править ]