(Phys.org) — Slijtage is een feit van het leven. Als oppervlakken tegen elkaar wrijven, ze breken af ​​en verliezen hun oorspronkelijke vorm. Met minder materiaal om mee te beginnen en functionaliteit die vaak kritisch afhankelijk is van vorm en oppervlaktestructuur, slijtage beïnvloedt objecten op nanoschaal sterker dan hun tegenhangers op macroschaal.

Slechter, de mechanismen achter slijtageprocessen worden beter begrepen voor zaken als automotoren dan voor nanotech-apparaten. Maar nu, onderzoekers van de School of Engineering and Applied Science van de University of Pennsylvania hebben experimenteel een van de mechanismen achter slijtage op de kleinste schaal aangetoond:de overdracht van materiaal, atoom voor atoom, van het ene oppervlak naar het andere.

Het onderzoek is uitgevoerd door Tevis Jacobs, een doctoraatsstudent bij de afdeling Materials Science and Engineering, en Robert Carpick, afdelingsvoorzitter Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica.

Hun onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Op nanoschaal is slijtage wordt voornamelijk begrepen door twee processen, breuk en plastische vervorming. Breuk is waar grote stukken van een oppervlak in één keer afbreken, zoals wanneer de punt van een potlood midden in een zin afbreekt. Plastische vervorming is wat er gebeurt wanneer het oppervlak van vorm verandert of samendrukt zonder te breken, zoals wanneer de rand van het mes bot of gebogen wordt.

Deze mechanismen beïnvloeden doorgaans duizenden of miljoenen atomen tegelijk, terwijl slijtage op nanoschaal vaak veel geleidelijker verloopt. Het bepalen van de mechanismen achter dit meer geleidelijke proces is de sleutel tot het verbeteren van dergelijke apparaten.

"Op nanoschaal slijtage is een zeer groot probleem, Jacobs zegt. "Nanotechnologie ontwikkelt steeds kleinere onderdelen voor zeer kleine machines. Hun contactinterfaces slijten zeer snel, soms overleven ze honderden cycli terwijl ze biljoenen of meer moeten overleven."

Een slijtagemechanisme dat werd verondersteld voor de nanoschaal is een proces dat bekend staat als atomaire uitputtingsslag. Daar, atomen van het ene oppervlak worden overgebracht naar het andere oppervlak via een reeks individuele bindingsvormende en bindingsverbrekende chemische reacties. Andere onderzoekers hebben geprobeerd dit proces te testen door twee oppervlakken met elkaar in contact te brengen en tegen elkaar aan te schuiven.

Die eerdere onderzoeken hadden betrekking op Atomic Force Microscopes. Het gebruik van een AFM houdt in dat een zeer scherpe punt op een flexibele cantilever over een oppervlak wordt gesleept, terwijl een laser die op de cantilever is gericht nauwkeurig meet hoeveel de punt beweegt. Door de punt te gebruiken als een van de oppervlakken in een slijtage-experiment, onderzoekers kunnen de schuifafstand nauwkeurig regelen, glijsnelheid en belasting in het contact. Maar de AFM visualiseert het experiment helemaal niet; het volume van atomen dat verloren is gegaan uit de punt kan alleen achteraf worden afgeleid of onderzocht, en de concurrerende slijtagemechanismen, breuk en plastische vervorming zijn niet uit te sluiten.

De doorbraak van het Penn-team was het uitvoeren van AFM-achtige slijtage-experimenten in een transmissie-elektronenmicroscoop, of TEM, die een elektronenbundel door een monster laat gaan (in dit geval de tip op nanoschaal) om een ​​afbeelding van het monster te genereren, meer dan 100 uitvergroot, 000 keer.

Door een commercieel mechanisch testinstrument aan te passen dat binnen een TEM werkt, de onderzoekers konden een plat diamantoppervlak tegen de siliciumpunt van een AFM-sonde schuiven. Door de sonde-cantilever-assemblage in de TEM te plaatsen en daar het slijtage-experiment uit te voeren, ze waren in staat om tegelijkertijd de afstand te meten die de punt gleed, de kracht waarmee het in contact kwam met de diamant en het volume van de verwijderde atomen in elk glijdend interval.

"We kunnen het hele proces live bekijken om te zien wat er gebeurt terwijl de oppervlakken in contact zijn, "Zei Jacobs. "Toen, na elke pas, we gebruiken de TEM als een camera en maken een foto met een nog grotere vergroting van de punt. We kunnen de omtrek volgen en zien hoeveel volume verloren is gegaan, tot zo klein als 25 vierkante nanometer, of ongeveer 1250 atomen.

"We meten volumeveranderingen die duizend keer kleiner zijn dan met andere technieken voor slijtagedetectie te zien zijn."

Hoewel deze nieuwe microscopiemethode geen beeld kan vormen van individuele atomen die van de siliciumpunt naar de diamantpons gaan, het stelde de onderzoekers in staat om de atomaire structuur van de draagtip goed genoeg te zien om breuk en plastische vervorming als het mechanisme achter de slijtage van de tip uit te sluiten. Om te bewijzen dat de siliciumatomen van de punt zich aan de diamant hechtten en vervolgens achterbleven, moesten de visuele en krachtgegevens worden gecombineerd tot een wiskundige test.

"Als atomaire uitputting is wat er gebeurt, "Carpick zei, "dan is de snelheid waarmee die bindingen worden gevormd en de afhankelijkheid van contactspanning - de kracht per oppervlakte-eenheid - gevestigde wetenschap. Dat betekent dat we chemische kinetiek kunnen toepassen, of reactiesnelheid theorie, aan het slijtageproces."

Nu ze het volume van de verwijderde atomen konden meten, de afstand die de tip gleed en de kracht van het contact voor elke experimentele test, de onderzoekers konden de snelheid berekenen waarmee de silicium-diamantbindingen onder verschillende omstandigheden worden gevormd en dat vergelijken met voorspellingen op basis van de reactiesnelheidstheorie, een theorie die routinematig wordt gebruikt in de chemie.

"Hoe meer kracht de atomen hebben, hoe groter de kans dat ze een binding vormen met een atoom op het tegenoverliggende oppervlak, dus de slijtagesnelheid zou exponentieel moeten versnellen met extra stress, "Zei Jacobs. "Zien dat in de experimentele gegevens een smoking gun was. De trend in de gegevens houdt in dat we de mate van slijtage van de tip kunnen voorspellen, alleen de stressniveaus in het contact kennen, zolang dit slijtagemechanisme maar dominant is."

Voor nu, die voorspellingen kunnen alleen worden gedaan over de slijtage van silicium op diamant in een vacuüm, hoewel de selectie van die twee materialen niet toevallig was. Ze komen vaak voor in apparaten en hulpmiddelen op nanoschaal voor nanofabricage.

De wiskunde achter het atomaire uitputtingsmechanisme zou uiteindelijk op een fundamentele manier kunnen worden toegepast.

"Het doel van deze onderzoeksweg is om op het punt te komen dat je me vertelt welke materialen in contact komen, en je vertelt me ​​de periode waarin ze in contact zijn en de uitgeoefende spanningen en ik zal je kunnen vertellen met welke snelheid atomen zullen worden verwijderd, ' zei Jacobs.

"Met een fundamenteel begrip van slijtage, je kunt slim oppervlakken ontwerpen en materialen kiezen om apparaten met een langere levensduur te maken, ' zei Carpick.

Deze fundamentele, voorspellend begrip van slijtage zou het nanomechanische ontwerp enorm kunnen verbeteren, functionaliteit verhogen en kosten verlagen.