Slitage och friktion är avgörande frågor i många industrisektorer:Vad händer när en yta glider över en annan? Vilka förändringar måste förväntas i materialet? Vad betyder detta för maskinernas hållbarhet och säkerhet?

Det som händer på atomnivå kan inte observeras direkt. Dock, ett ytterligare vetenskapligt verktyg är nu tillgängligt för detta ändamål:För första gången, komplexa datorsimuleringar har blivit så kraftfulla att slitage och friktion av verkliga material kan simuleras i atomär skala.

Tribologiteamet vid TU Wien (Wien), ledd av prof. Carsten Gachot, har nu bevisat att detta nya forskningsfält nu levererar tillförlitliga resultat i en aktuell publikation i den välrenommerade vetenskapliga tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt . Beteendet hos ytor bestående av koppar och nickel simulerades med högpresterande datorer. Resultaten överensstämmer förvånansvärt väl med bilder från elektronmikroskopi - men de ger också värdefull ytterligare information.

Friktion förändrar små korn

För blotta ögat, det ser inte speciellt spektakulärt ut när två ytor glider över varandra. Men på det mikroskopiska planet, mycket komplicerade processer äger rum:"Metaller, som de används inom teknik, har en speciell mikrostruktur, " förklarar doktor Stefan Eder, första författare till den aktuella publikationen. "De består av små korn med en diameter i storleksordningen mikrometer eller ännu mindre."

När en metall glider över den andra under hög skjuvspänning, kornen av de två materialen kommer i intensiv kontakt med varandra:de kan roteras, deformerad eller förskjuten, de kan brytas upp i mindre korn eller växa på grund av ökad temperatur eller mekanisk kraft. Alla dessa processer, som äger rum i mikroskopisk skala, bestämmer i slutändan materialets beteende i stor skala - och därmed bestämmer de också livslängden för en maskin, mängden energi som går förlorad i en motor på grund av friktion, eller hur bra en broms fungerar, där högsta möjliga friktionskraft önskas.

Datorsimulering och experiment

"Resultatet av dessa mikroskopiska processer kan sedan undersökas i ett elektronmikroskop, ", säger Stefan Eder. "Man kan se hur kornstrukturen på ytan har förändrats. Dock, det har ännu inte varit möjligt att studera tidsutvecklingen av dessa processer och förklara exakt vad som orsakar vilka effekter vid vilken tidpunkt."

Denna lucka täpps nu till av stora molekylära dynamiksimuleringar utvecklade av tribologiteamet vid TU Wien i samarbete med Excellence Centre of Tribology (AC²T) i Wiener Neustadt och Imperial College i London:Atom by atom, ytorna simuleras på datorn. Ju större den simulerade materialbiten och desto längre den simulerade tidsperioden, desto mer datorkraft behövs. "Vi simulerar sektioner med en sidolängd på upp till 85 nanometer, under en period av flera nanosekunder, säger Stefan Eder. Det låter inte så mycket, men det är anmärkningsvärt:Även Vienna Scientific Cluster 4, Österrikes största superdator, kan ibland vara upptagen med sådana uppgifter i månader i taget.

Teamet undersökte slitaget av legeringar av koppar och nickel - och gjorde det med olika blandningsförhållanden för de två metallerna och olika mekaniska belastningar. "Våra datorsimuleringar avslöjade exakt de olika processerna, mikrostrukturella förändringar och slitageeffekter som redan är kända från experiment, ", säger Stefan Eder. "Vi kan använda våra simuleringar för att producera bilder som exakt motsvarar bilderna från elektronmikroskopet. Dock, Vår metod har en avgörande fördel:Vi kan sedan analysera processen i detalj på datorn. Vi vet vilken atom som ändrade sin plats vid vilken tidpunkt, och vad exakt hände med vilket spannmål i vilken fas av processen."

Förstå slitage—Optimera industriella processer

De nya metoderna har redan mötts av stort intresse från industrin:"I åratal, det har pågått en diskussion om att tribologi skulle kunna dra nytta av tillförlitliga datorsimuleringar. Nu har vi nått ett stadium där kvaliteten på simuleringarna och den tillgängliga beräkningskraften är så stor att vi skulle kunna använda dem för att svara på spännande frågor som annars inte skulle vara tillgängliga, " säger Carsten Gachot. I framtiden, de vill också analysera, förstå, och förbättra industriella processer på atomnivå.