Wrijving is het resultaat van een reeks complexe processen die samenwerken om relatieve beweging te weerstaan. Ondanks deze complexiteit, wrijving wordt vaak beschreven met behulp van eenvoudige fenomenologische uitdrukkingen die normale en laterale krachten via de wrijvingscoëfficiënt met elkaar in verband brengen. De gedefinieerde parameter omvat meerdere, soms concurrerende effecten. Om de oorsprong van wrijving beter te begrijpen, Zhe Chen en een interdisciplinair team van onderzoekers in de afdelingen chemische technologie, werktuigbouwkunde en materiaalonderzoek bestudeerden een chemisch en topografisch goed gedefinieerde interface tussen silica en grafiet met behulp van een enkellaagse grafeen-staprandopstelling.

Het onderzoeksteam identificeerde de afzonderlijke bijdragen van fysische en chemische processen aan wrijving en toonde aan dat een enkele wrijvingscoëfficiënt kan worden gescheiden in twee termen die overeenkomen met deze effecten. De resultaten gaven inzicht in de chemische en topografische oorsprong van wrijving als een manier om oppervlakken af ​​te stemmen door gebruik te maken van concurrerende wrijvingsprocessen. De bevindingen zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Wrijving vindt plaats op het grensvlak tussen twee vaste oppervlakken die in contact zijn en met verschillende snelheden of richtingen bewegen. Omdat wrijving kan corresponderen met verspilde energie, wetenschappers gebruiken de parameter om de efficiëntie en nuttige levensduur te bepalen van alle bewegende systemen, van biologische tot luchtvaart. Wrijvingskracht ( F _F ) is vaak lineair evenredig met de toegepaste belasting ( L ) op microschaal en de evenredigheid van deze relatie, bekend als de wrijvingscoëfficiënt (COF) wordt gesymboliseerd door µ en uitgedrukt als de wet van Amonton.

Kleefkrachten (F _een ) kan op nanoschaal belangrijk worden om een ​​extra term te introduceren voor moleculaire mechanismen van tribologie in dunne films. Hoewel de uitdrukking fenomenologisch eenvoudig is en al tientallen jaren waardevol is in experimenten, de feitelijke mechanismen voor het bepalen van de grootte van de COF zijn zeer gecompliceerd. Natuurkundigen hadden eerder voorgesteld dat wrijving een puur fysieke oorsprong heeft met verwante chemische processen die plaatsvinden in glijdende oppervlakken. Maar het samenspel in de waargenomen wrijving is tot nu toe slechts slecht begrepen, omdat wrijving meestal alleen wordt geassocieerd met oppervlakteslijtage. In het huidige werk, daarom, Chen et al. gebruikte een chemisch en topografisch goed gedefinieerde interface om de bijdragen van fysische en chemische processen aan wrijving te identificeren zonder rekening te houden met oppervlakteslijtage om fundamentele inzichten te verkrijgen in de oorsprong van de vaak gerapporteerde maar slecht begrepen COF (wrijvingscoëfficiënt).

De wetenschappers gebruikten een modelsysteem met een atoomkrachtmicroscopie (AFM) -sonde gemaakt van silicium, een silicatip genoemd, en een grafietoppervlak met een enkellaags grafeen-staprand. Het basisvlak van grafiet zorgde voor een chemisch inert en defectvrij vlak oppervlak. De blootgestelde grafeenlaag aan de bovenkant was evenredig met de onderliggende laag, het verschaffen van een topografisch minst gegolfd oppervlak voor wrijvingstests. Het experimentele systeem bevatte een enkellaags grafeen-staprand op het grafietoppervlak, om een ​​goed gedefinieerde topografie te verschaffen met een hoogteverandering van 0,34 nm over een afstand die overeenkomt met één chemische bindingslengte om een ​​atomaire stap te vormen. Het onderzoeksteam heeft hetzelfde systeem gemodelleerd met behulp van simulaties van reactieve moleculaire dynamica (MD), het nabootsen van de top van de silicatip op de bovenste lagen grafeen in het grafiet, dicht bij de trederand. Ze maakten computationele en experimentele studies mogelijk van de grensvlakafschuiving van een silica-oppervlak op een atomair vlak oppervlak, en op een chemisch of topografisch goed gedefinieerde functie bij de stap, tijdens de studie. Het experimentele model kwam overeen met de computationele simulatie om inzicht te geven in de oorsprong van wrijving op atomair niveau.

Tijdens metingen van de grafeenstaprand met een silica AFM-tip, het onderzoeksteam behaalde een COF van ongeveer 0,1, dicht bij de waarde die op verschillende oppervlakken wordt waargenomen bij elastische vervormingstests. Tijdens step-down in de AFM-opstelling op basis van fooien, Chen et al. waargenomen meer gecompliceerde wrijvingsreacties waarin de wrijving fluctueerde tijdens topografische hoogteveranderingen. De waargenomen veranderingen kwamen niet alleen overeen met de topografie, maar het team kon de chemische en fysieke effecten in het systeem niet onderscheiden. Om deze oorsprong te onderzoeken, ze analyseerden wrijving als een functie van belasting en observeerden de belastingsafhankelijkheid van wrijving op het grafietterras en aan de grafeenstaprand van zowel experimentele studies als simulaties. De resultaten bevestigden dat de simulaties atomaire inzichten verschaften in de grensvlakprocessen van complexe wrijvingsgedragingen. Ze kwantificeerden de COF in het systeem met dragende wrijving om de chemische en fysische bijdragen te isoleren. Het onderzoeksteam gebruikte de informatie op atomaire schaal die in de simulaties werd waargenomen voor extra inzicht.

Om fysieke bijdragen aan wrijving in de reactieve MD-simulatie te kwantificeren, de wetenschappers gebruikten eerst de schuifspanning van de silicatip. Vervolgens kwantificeerden ze de chemische bijdragen met behulp van het aantal waterstofbruggen dat tijdens het experiment tussen de silicatip en het grafietoppervlak werd gevormd. Ze hebben geen significante fysieke of chemische interacties waargenomen toen de silicatip over het grafiet-basisvlak gleed, die ze gebruikten om de experimentele superlubriciteit van COF berekend (~ 0,003) in het onderzoek te verklaren. Echter, tijdens atomaire step-up, de fysieke (spanning) en chemische (waterstofbinding) mechanismen synergetisch verbeterde weerstand tegen glijden, waardoor de COF 100 keer groter wordt bij atomaire step-up dan bij het basale vlak van grafiet. De wetenschappers registreerden vergelijkbare waarnemingen voor de step-down weerstandskracht als gevolg van waterstofbindingsinteracties.

Op deze manier, Zhe Chen en collega's gebruikten samen COF's en MD-simulaties, inzicht geven in de fysische en chemische oorsprong van wrijving. Ze bereikten supersmering in de experimentele opstelling toen de spanning veroorzaakt door de topografie en in elkaar grijpende, evenals chemische binding op het afschuifvlak waren verwaarloosbaar. Het team observeerde grote wrijving in de opstelling toen de step-up boven de 0,34 nm hoge grafeenstaprand gecombineerde fysieke effecten van topografie en chemische effecten veroorzaakte als gevolg van grensvlakbinding. Tijdens de step-down beweging in de experimenten, de negatieve topografische verandering produceerde een kracht om de glijdende beweging te ondersteunen, terwijl de chemische bindingen tussen de tegengesteld bewegende oppervlakken een weerstandskracht produceerden. Het onderzoeksteam toonde aan dat het balanceren van deze twee componenten zou kunnen bepalen of de wrijving en de COF in een experimenteel systeem uiteindelijk positief of negatief waren.

De resultaten verklaarden de moeilijkheid om supersmering te bereiken op atomair ruwe oppervlakken, tenzij de topografische oppervlaktekenmerken chemisch inert waren. In totaal, de bevindingen suggereren de mogelijkheid om de COF af te stemmen met voorgeschreven topografische kenmerken en vooraf afgesproken chemische groepen. Hoewel het concept industriële toepassingen van wrijving niet onmiddellijk verbetert, het biedt fundamenteel inzicht in de chemische en topografische oorsprong van wrijving en is daarom een ​​belangrijke belofte voor toekomstige wetenschappelijke vooruitgang bij het minimaliseren van resistentie op tribologische grensvlakken. Chen et al. stel je voor dat het werk mogelijkheden van afstembare wrijving in de toegepaste fysica zal openen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk