(Phys.org) – Bärning är ett faktum. När ytor gnider mot varandra, de går sönder och tappar sin ursprungliga form. Med mindre material att börja med och funktionalitet som ofta beror kritiskt på form och ytstruktur, slitage påverkar föremål i nanoskala starkare än deras motsvarigheter i makroskala.

Värre, mekanismerna bakom slitageprocesser är bättre förstådda för saker som bilmotorer än nanotekniska enheter. Men nu, forskare vid University of Pennsylvanias School of Engineering and Applied Science har experimentellt demonstrerat en av mekanismerna bakom slitage i minsta skala:överföring av material, atom för atom, från en yta till en annan.

Forskningen utfördes av Tevis Jacobs, doktorand vid institutionen för materialvetenskap och teknik, och Robert Carpick, avdelningsordförande för maskinteknik och tillämpad mekanik.

Deras forskning publicerades i tidskriften Naturens nanoteknik .

På nanoskala, slitage förstås huvudsakligen genom två processer, brott och plastisk deformation. Fraktur är där stora bitar av en yta bryter av på en gång, som när spetsen på en penna knäpper av mitt i en mening. Plastisk deformation är vad som händer när ytan ändrar form eller komprimeras utan att gå sönder, som när eggen på kniven blir matt eller böjd.

Dessa mekanismer påverkar vanligtvis tusentals eller miljoner atomer åt gången, medan nanoskala slitage ofta fortskrider genom en mycket mer gradvis process. Att fastställa mekanismerna bakom denna mer gradvisa process är nyckeln till att förbättra sådana anordningar.

"På nanoskala, slitage är ett mycket stort problem, " säger Jacobs. "Nanotekniken utvecklar allt mindre delar för mycket små maskiner. Deras kontaktgränssnitt slits mycket snabbt, ibland överlever i hundratals cykler när de behöver överleva i biljoner eller mer."

En förslitningsmekanism som hade antagits för nanoskalan är en process som kallas atomär förslitning. Där, atomer från en yta överförs till den andra ytan via en serie individuella bindningsbildande och bindningsbrytande kemiska reaktioner. Andra forskare har försökt testa denna process genom att sätta två ytor i kontakt och glida mot varandra.

De tidigare undersökningarna involverade Atomic Force Microscopes. Att använda en AFM innebär att man drar en mycket vass spets monterad på en flexibel konsol över en yta medan en laser riktad mot konsolen exakt mäter hur mycket spetsen rör sig. Genom att använda spetsen som en av ytorna i ett slitageexperiment, forskare kan exakt kontrollera glidavståndet, glidhastighet och belastning i kontakten. Men AFM visualiserar inte experimentet alls; volymen atomer som förlorats från spetsen kan endast slutas eller undersökas i efterhand, och de konkurrerande slitmekanismerna, brott och plastisk deformation kan inte uteslutas.

Penn-teamets genombrott var att utföra slitageexperiment i AFM-stil inuti ett transmissionselektronmikroskop, eller TEM, som passerar en elektronstråle genom ett prov (i detta fall, spetsen i nanoskala) för att generera en bild av provet, förstorad mer än 100, 000 gånger.

Genom att modifiera ett kommersiellt mekaniskt testinstrument som fungerar inuti en TEM, forskarna kunde skjuta en platt diamantyta mot kiselspetsen på en AFM-sond. Genom att placera sond-cantilever-enheten inuti TEM och köra slitageexperimentet där, de kunde samtidigt mäta avståndet som spetsen gled, kraften med vilken den kom i kontakt med diamanten och volymen av atomer som avlägsnats i varje glidintervall.

"Vi kan se hela processen live för att se vad som händer medan ytorna är i kontakt, " sa Jacobs. "Då, efter varje pass, vi använder TEM som en kamera och tar en ännu högre förstoringsbild av spetsen. Vi kan spåra dess kontur och se hur mycket volym som har gått förlorad, ner till så liten som 25 kvadratnanometer, eller cirka 1250 atomer.

"Vi mäter förändringar i volym som är tusen gånger mindre än vad som kan ses med andra tekniker för slitagedetektering."

Även om den här nya mikroskopimetoden inte kan avbilda enskilda atomer som rör sig från kiselspetsen till diamantstansen, det gjorde det möjligt för forskarna att se den atomära strukturen av bärspetsen tillräckligt bra för att utesluta brott och plastisk deformation som mekanismen bakom spetsens slitage. Att bevisa att kiselatomerna från spetsen band till diamanten och sedan stannade kvar innebar att kombinera visuella data och kraftdata till ett matematiskt test.

"Om atomär utslitning är vad som händer, " Carpick sa, "då är hastigheten med vilken dessa bindningar bildas och beroendet av kontaktspänning - kraften per ytenhet - väletablerad vetenskap. Det betyder att vi kan tillämpa kemisk kinetik, eller reaktionshastighetsteori, till slitageprocessen."

Nu när de kunde mäta volymen av avlägsnade atomer, avståndet som spetsen gled och kraften hos kontakten för varje experimentellt test, forskarna kunde beräkna hastigheten med vilken kisel-diamantbindningarna bildas under olika förhållanden och jämföra det med förutsägelser baserade på reaktionshastighetsteori, en teori som rutinmässigt används inom kemi.

"Ju mer kraft atomerna är under, desto mer sannolikt är det att de bildar en bindning med en atom på den motsatta ytan, så slitagehastigheten bör accelerera exponentiellt med ytterligare påkänningar, "Sade Jacobs. "Att se det i experimentdata var en rykande pistol. Trenden i data antyder att vi kan förutsäga hastigheten för slitage på spetsen, att bara känna till stressnivåerna i kontakten, så länge denna slitmekanism är dominerande."

Tills vidare, dessa förutsägelser kan bara göras om slitaget av kisel på diamant i ett vakuum, även om valet av dessa två material inte var av misstag. De är vanliga i enheter och verktyg i nanoskala för nanotillverkning.

Matematiken bakom den atomära nötningsmekanismen skulle så småningom kunna tillämpas på ett grundläggande sätt.

"Målet med denna forskningsväg är att komma till den punkt där du berättar för mig vilka material som är i kontakt, och du berättar för mig vilken period de är i kontakt och vilka påfrestningar som appliceras och jag kommer att kunna berätta i vilken takt atomerna kommer att avlägsnas, sa Jacobs.

"Med en grundläggande förståelse för slitage, du kan smart designa ytor och välja material för att göra enheter som håller längre, " sa Carpick.

Denna grundläggande, predikativ förståelse för slitage kan avsevärt förbättra nanomekanisk design, ökad funktionalitet och minskade kostnader.