Friktion är resultatet av en uppsättning komplexa processer som verkar tillsammans för att motstå relativ rörelse. Trots denna komplexitet, Friktion beskrivs ofta med enkla fenomenologiska uttryck som relaterar normala och laterala krafter via friktionskoefficienten. Den definierade parametern omfattar flera, ibland konkurrerande effekter. För att bättre förstå ursprunget till friktion, Zhe Chen och ett tvärvetenskapligt team av forskare vid avdelningarna för kemiteknik, maskinteknik och materialforskning studerade ett kemiskt och topografiskt väldefinierat gränssnitt mellan kiseldioxid och grafit med hjälp av en grafenstegskantuppsättning i ett lager.

Forskargruppen identifierade de separata bidragen från fysikaliska och kemiska processer till friktion och visade att en enda friktionskoefficient kunde delas upp i två termer som motsvarar dessa effekter. Resultaten gav insikt i friktionens kemiska och topografiska ursprung som en väg för att trimma ytor genom att utnyttja konkurrerande friktionsprocesser. Resultaten publiceras nu på Vetenskapens framsteg .

Friktion uppstår vid gränsytan mellan två fasta ytor som är i kontakt och rör sig med olika hastigheter eller riktningar. Eftersom friktion kan motsvara slöseri med energi, forskare använder parametern för att bestämma effektiviteten och livslängden för alla rörliga system från biologiska till flygtekniska. Friktionskraft ( F _f ) är ofta linjärt proportionell mot den applicerade belastningen ( L ) i mikroskala och proportionaliteten i detta förhållande, känd som friktionskoefficienten (COF) symboliseras med µ och uttrycks som Amontons lag.

Vidhäftningskrafter (F _a ) kan bli betydande på nanoskala för att introducera en ytterligare term för molekylära mekanismer för tribologi i tunna filmer. Även om uttrycket är fenomenologiskt enkelt och har haft värde i experiment i årtionden, de faktiska mekanismerna för att bestämma storleken på COF är mycket komplicerade. Fysiker hade tidigare föreslagit att friktion skulle ha rent fysiskt ursprung med relaterade kemiska processer som skulle inträffa i glidytor. Men samspelet i den observerade friktionen är än så länge bara dåligt förstådd, eftersom friktion vanligtvis förknippas med enbart ytslitage. I detta arbete, därför, Chen et al. använde ett kemiskt och topografiskt väldefinierat gränssnitt för att identifiera bidragen från fysikaliska och kemiska processer till friktion utan att ta hänsyn till ytslitage för att få grundläggande insikter om ursprunget till den ofta rapporterade men dåligt förstådda COF (friktionskoefficient).

Forskarna använde ett modellsystem som innehöll en atomkraftsmikroskopisk sond (AFM) gjord av kisel som kallas en kiselspets, och en grafityta med en grafenstegskant i ett lager. Basalplanet av grafit gav en kemiskt inert och defektfri plan yta. Det exponerade grafenarket överst var proportionellt mot det underliggande lagret, tillhandahålla en topografiskt minst korrugerad yta för friktionstester. Det experimentella systemet innehöll en grafenstegskant i ett lager på grafitytan, för att tillhandahålla en väldefinierad topografi med en höjdförändring på 0,34 nm över ett avstånd som motsvarar en kemisk bindningslängd för att bilda ett atomsteg. Forskargruppen modellerade samma system med hjälp av simuleringar av reaktiv molekylär dynamik (MD), återskapa toppen av kiseldioxidspetsen på de översta lagren av grafen i grafiten, nära trappkanten. De möjliggjorde beräknings- och experimentella studier av gränssnittsskjuvningen av en kiseldioxidyta på en atomärt plan yta, och på ett kemiskt eller topografiskt väldefinierat särdrag i steget, under studien. Den experimentella modellen överensstämde med beräkningssimuleringen för att ge insikt i friktionens ursprung på atomnivå.

Under mätningar av grafenstegkanten med en kiseldioxid AFM-spets, forskargruppen fick en COF på cirka 0,1, nära det värde som observerats på olika ytor under elastiska deformationstester. Under steg ned i AFM-tipsbaserade inställningar, Chen et al. observerade mer komplicerade friktionssvar där friktionen fluktuerade under topografiska höjdförändringar. De observerade förändringarna motsvarade inte enbart topografi, men teamet kunde inte skilja på de kemiska och fysiska effekterna i systemet. För att utforska dessa ursprung, de analyserade friktion som en funktion av belastning och observerade belastningsberoende av friktion på grafitterrassen och vid grafenstegskanten från både experimentella studier och simuleringar. Resultaten bekräftade att simuleringarna gav atomära insikter i gränssnittsprocesserna för komplexa friktionsbeteenden. De kvantifierade COF i systemet med lastbärande friktion för att isolera de kemiska och fysikaliska bidragen. Forskargruppen använde informationen i atomskala som observerades i simuleringarna för ytterligare insikt.

För att kvantifiera fysiska bidrag till friktion i den reaktiva MD-simuleringen, forskarna använde först skjuvningen av kiseldioxidspetsen. De kvantifierade sedan de kemiska bidragen med hjälp av antalet vätebindningar som bildades mellan kiseldioxidspetsen och grafitytan under experimentet. De observerade inte signifikanta fysiska eller kemiska interaktioner när kiseldioxidspetsen gled över grafitbasplanet, som de använde för att förklara den experimentella supersmörjigheten hos COF beräknad (~0,003) i studien. Dock, under atomär steg upp, de fysikaliska (påkänning) och kemiska (vätebindning) mekanismerna förbättrade synergistiskt motståndet mot glidning, vilket gör att COF blir 100 gånger högre vid atomär steg upp än vid grafitens basplan. Forskarna registrerade liknande observationer för den nedtrappade resistiva kraften på grund av vätebindningsinteraktioner.

På det här sättet, Zhe Chen och medarbetare använde COFs och MD-simuleringar tillsammans, för att ge insikt i friktionens fysiska och kemiska ursprung. De uppnådde supersmörjhet i experimentuppställningen när spänningen inducerad av topografin och sammanlåsning, såväl som kemisk bindning vid skjuvplanet var försumbara. Teamet observerade stor friktion i uppställningen när stegningen ovanför den 0,34 nm höga grafenstegkanten orsakade kombinerade fysiska effekter från topografi och kemiska effekter på grund av gränssnittsbindning. Under nedtrappningsrörelse i experimenten, den negativa topografiförändringen producerade en kraft för att underlätta glidande rörelse, medan de kemiska bindningarna mellan de motsatt rörliga ytorna producerade en resistiv kraft. Forskargruppen visade att balansering av dessa två komponenter kunde avgöra om friktionen och COF i ett experimentellt system i slutändan var positiva eller negativa.

Resultaten förklarade svårigheten att uppnå supersmörjhet på atomärt grova ytor - om inte de topografiska ytegenskaperna var kemiskt inerta. Totalt, fynden tyder på möjligheten att justera COF med föreskrivna topografiska egenskaper och förarrangerade kemiska grupper. Även om konceptet inte omedelbart förbättrar industriella tillämpningar av friktion, den ger grundläggande insikt om friktionens kemiska och topografiska ursprung och har därför ett betydande löfte för framtida vetenskapliga framsteg för att minimera resistens vid tribologiska gränssnitt. Chen et al. Föreställ dig att arbetet kommer att öppna möjligheter till avstämbar friktion i tillämpad fysik.

© 2019 Science X Network