I en ny tidning i Vetenskapliga framsteg , forskare från University of Amsterdam presenterar ny experimentell inblick i hur smörjning fungerar. De har utvecklat en ny metod med fluorescerande molekyler för att direkt observera nanometriska smörjfilmer med en känslighet för ett enda molekylskikt. Deras kvantitativa beskrivning av förhållandet mellan topografi, kontakttryck och smörjning ger en djupare förståelse för smörjning.

Friktion och slitage står för en stor bråkdel av världens energiförbrukning och bidrar därför enormt till växthusutsläpp. Varje rörligt föremål sprider energi genom friktion. Exempel med stor ekonomisk påverkan finns inom transport- och energisektorerna:tänk på en förbränningsmotor eller en gasturbin.

För att minska friktion och slitage, glid- och rullningskontakter smörjs vanligtvis. Till exempel, i en förbränningsmotor, motoroljan fungerar som ett smörjmedel, förhindra fast-mot-fast kontakt mellan kolvringen och cylinderväggen, minska friktion och slitage vid detta gränssnitt.

Tunnare smörjmedel

I allmänhet, det finns en trend mot tunnare smörjskikt på grund av allt strängare krav på materialanvändning, krav på högre effektivitet, och ett behov av "grönare" smörjmedel. Under dessa omständigheter, framgångsrik smörjning och långsiktig säker drift blir alltmer känslig för topografin hos de smorda ytorna. Även om många studier inom teknik och fysik har lett till en hög förståelse för smörjning, i liten skala där lager bryter upp viktiga frågor är ännu inte besvarade. En viktig saknad länk är en detaljerad experimentell inblick i påverkan av specifikationerna hos ytopografi på övergången mellan olika smörjsystem. Särskilt, det diskuteras mycket om de fenomen som uppstår när tjockleken på smörjfilmen sträcker sig över bara några få molekyler.

Kopplar ytopografi med smörjfenomen

Grundläggande studier, till exempel om friktionskrafter med hjälp av Atomic Force Microscopy, har gett lite insikt. Dock, eftersom dessa gäller den mikroskopiska skalan, deras relevans för makroskopiska fenomen är begränsad. Å andra sidan, Att studera samspelet mellan smörjning och yttopografi i makroskopisk skala är mycket utmanande eftersom smörjskiktet är begravt mellan två fasta ämnen och därför är svårt att komma åt experimentellt.

I deras papper i Vetenskapliga framsteg , forskarna presenterar nu resultaten av ett nytt tillvägagångssätt som möjliggör grundläggande forskning på makroskopisk nivå med mycket hög upplösning, koppling av ytopografi med smörjfenomen. Forskningen utfördes vid University of Amsterdams Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) och Institute of Physics (IOP). Forskare från Dutch Advanced Research Center for Nanolithography (ARCNL), University of Twente (Enschede, Nederländerna) och Université Paris-Saclay (Paris, Frankrike) bidrog till studien.

Fluorescerande molekylprober

På gruppen ARCNL Contact Dynamics för Dr. Bart Weber, fokus ligger på grundläggande aspekter av friktion och slitage med relevans för positioneringsutmaningar inom nanolitografi. För den forskning som nu publicerats i Vetenskapliga framsteg , gruppen gick ihop med prof. Fred Brouwer och prof. Daniel Bonn vid universitetet i Amsterdam, där första författaren Dr Dina Petrova erhöll sin doktorsexamen. tidigare i år.

Forskarna utförde friktionsförsök med ett mycket speciellt smörjmedel som uppfanns av de franska medförfattarna Dr Clémence Allain och prof. Pierre Audebert:en ren vätska som består av fluorescerande molekyler. Genom att smörja transparent, glas-på-glas-kontakter med denna vätska, forskarna kunde direkt visualisera smörjfilmen med bara några få molekyler tjock. Efter excitering av den fluorescerande vätskan genom glaset, de mätte den lokala fluorescensintensiteten som är proportionell mot antalet molekyler som finns i gränssnittet. De experimentella resultaten jämfördes med teoretiska förutsägelser som utvecklades av prof. Kees Venner från University of Twente.

Glasövergång

Genom att kvantitativt analysera förhållandet mellan ytopografi, smörjmedelsfilmens tjocklek och friktion, forskarna visar att inneslutning av smörjmedlet mellan glidytorna leder till en glasövergång, vilket betyder att vätskan blir mycket viskös och därmed motstår att pressas ut ur gränssnittet.

Dock, den ökade viskositeten är inte alltid tillräcklig för att förhindra utpressning. Vid gränssnittet, det finns en konkurrens mellan trycket och smörjmedlets viskositet. Gränssnittstrycket beror på det bärande område som styrs av yt-topografin:ju grövre de två ytorna, ju mindre (potentiell) kontaktyta. Tack vare deras experimentella upplägg, forskarna kunde kvantitativt beskriva detta samband mellan topografi, kontakttryck och smörjning. Resultaten ger därmed en djupare förståelse för hur smörjning fungerar och kan hjälpa till att förutsäga friktionsbeteendet i en mängd smörjsystem med stor samhällspåverkan.