Slijtage en wrijving zijn cruciale kwesties in veel industriële sectoren:wat gebeurt er als het ene oppervlak over het andere glijdt? Welke veranderingen zijn te verwachten in het materiaal? Wat betekent dit voor de duurzaamheid en veiligheid van machines?

Wat er op atomair niveau gebeurt, kan niet direct worden waargenomen. Echter, hiervoor is nu een extra wetenschappelijk hulpmiddel beschikbaar:voor het eerst complexe computersimulaties zijn zo krachtig geworden dat slijtage en wrijving van echte materialen op atomaire schaal kan worden gesimuleerd.

Het tribologieteam van de TU Wien (Wenen), onder leiding van prof. Carsten Gachot, heeft inmiddels bewezen dat dit nieuwe onderzoeksveld betrouwbare resultaten oplevert in een actuele publicatie in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift ACS Toegepaste Materialen &Interfaces . Het gedrag van oppervlakken bestaande uit koper en nikkel werd gesimuleerd met krachtige computers. De resultaten komen verbazingwekkend goed overeen met afbeeldingen uit elektronenmicroscopie, maar ze bieden ook waardevolle aanvullende informatie.

Wrijving verandert kleine korrels

Met het blote oog, het ziet er niet bijzonder spectaculair uit als twee vlakken over elkaar schuiven. Maar op microscopisch niveau zeer gecompliceerde processen plaatsvinden:"Metalen, zoals ze worden gebruikt in de technologie, een speciale microstructuur hebben, " legt Dr. Stefan Eder uit, eerste auteur van de huidige publicatie. "Ze bestaan ​​uit kleine korrels met een diameter in de orde van micrometers of zelfs minder."

Wanneer het ene metaal onder hoge schuifspanning over het andere schuift, de korrels van de twee materialen komen intensief met elkaar in contact:ze kunnen worden gedraaid, vervormd of verschoven, ze kunnen worden opgedeeld in kleinere korrels of groeien als gevolg van verhoogde temperatuur of mechanische kracht. Al deze processen, die op microscopische schaal plaatsvinden, uiteindelijk op grote schaal het gedrag van het materiaal bepalen – en daarmee ook de levensduur van een machine, de hoeveelheid energie die in een motor verloren gaat door wrijving, of hoe goed een rem werkt, waarbij de hoogst mogelijke wrijvingskracht gewenst is.

Computersimulatie en experiment

"Het resultaat van deze microscopische processen kan dan worden onderzocht in een elektronenmicroscoop, " zegt Stefan Eder. "Je kunt zien hoe de korrelstructuur van het oppervlak is veranderd. Echter, het is nog niet mogelijk geweest om de tijdsevolutie van deze processen te bestuderen en precies uit te leggen wat op welk moment welke effecten veroorzaakt."

Deze kloof wordt nu gedicht door grote moleculaire dynamica-simulaties die zijn ontwikkeld door het tribologieteam van de TU Wien in samenwerking met het Excellence Centre of Tribology (AC²T) in Wiener Neustadt en het Imperial College in Londen:Atom by atom, de oppervlakken worden op de computer gesimuleerd. Hoe groter het gesimuleerde stuk materiaal en hoe langer de gesimuleerde tijdsperiode, hoe meer computerkracht er nodig is. "We simuleren secties met een zijlengte tot 85 nanometer, over een periode van enkele nanoseconden, " zegt Stefan Eder. Dat klinkt niet als veel, maar het is opmerkelijk:zelfs de Weense Wetenschappelijke Cluster 4, De grootste supercomputer van Oostenrijk, kan soms maandenlang met dergelijke taken bezig zijn.

Het team onderzocht de slijtage van legeringen van koper en nikkel - en deed dit met verschillende mengverhoudingen van de twee metalen en verschillende mechanische belastingen. "Onze computersimulaties onthulden precies de verscheidenheid aan processen, microstructurele veranderingen en slijtage-effecten die al bekend zijn uit experimenten, ", zegt Stefan Eder. "Met onze simulaties kunnen we beelden maken die exact overeenkomen met de beelden van de elektronenmicroscoop. Echter, onze methode heeft een beslissend voordeel:we kunnen het proces dan tot in detail analyseren op de computer. We weten welk atoom op welk moment van plaats is veranderd, en wat er precies met welk graan is gebeurd in welke fase van het proces."

Slijtage begrijpen—Industriële processen optimaliseren

De nieuwe methoden kunnen al op grote belangstelling van de industrie rekenen:"Al jaren, er is een voortdurende discussie geweest dat tribologie baat zou kunnen hebben bij betrouwbare computersimulaties. Nu hebben we een stadium bereikt waarin de kwaliteit van de simulaties en de beschikbare rekenkracht zo groot zijn dat we ze kunnen gebruiken om spannende vragen te beantwoorden die anders niet toegankelijk zouden zijn, " zegt Carsten Gachot. In de toekomst, ze willen ook analyseren, begrijpen, en industriële processen op atomair niveau te verbeteren.