Компьютерный эксперимент влияния периодического рельефа атомарного масштаба алмазных поверхностей на поведение сжатых между ними молекул воды и аргона

Компьютерное исследование поведения ультратонких пленок аргона, сжатых между алмазными поверхностями с периодическим атомарным рельефом. Его сравнение с поведением ультратонких пленок воды и аргона, заключенных между гладкими и шероховатыми пластинами.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

ВВЕДЕНИЕ

Трение играет центральную роль в разнообразных системах и явлениях которые на первый взгляд могут показаться не связанными друг с другом, но у которых при более внимательном осмотре обнаруживаются общее особенности, которые свойственны всем трибологическим процессам в областях технологии, геологии и биологии. Разработка износостойких поверхностей с низким трением и тонких смазочных пленок стала важным фактором в миниатюризации подвижных частей во многих технических приборах. Последние включают микроэлектромеханические системы (МЭМС), компьютерные запоминающие системы, миниатюрные двигатели и др. Старые, простые эмпирические законы трения не всегда работают в таких системах. Это происходит потому, что они характеризуются высоким отношением поверхности к объему, и для них более важна химия поверхностей, адгезия и структура (или шероховатость) последних. Обычные трибологические методы, что используются для макроскопических объектов, могут оказаться не эффективными на нанометровом масштабе, что требует новых подходов для контролирования изучения подобных систем. Особенно быстро развевается область трибологии, что изучает биосистемы, и также смазочные механизмы в суставах.

Оказывается, что в природе обычно встречаются смазочные системы, которые основаны на воде. По смазочным свойствам они оставляют далеко позади смазки, что базируются на маслах, и которые используются в большинстве приборов, изготовленных человеком. Создание смазок, подобных природным , на сегодня является важной не решенной задачей.

Первым шагом к решению данной задачи есть изучение трибологических свойств пленок воды. Так как реальные контакты макроскопических тел происходят на большом количестве микро- и нанонеровностях и шероховатостей поверхностей, для пояснения макроскопического трения необходимо понять поведение одного наноконтакта. Экспериментально это стало возможным в 80-х годах ХХ столетия одновременно с изобретением сканирующей зондовой микроскопии и аппарата поверхностных сил (АСП). Исследования ультратонких (толщиной 1-6 молекулярных диаметров) пленок разнообразных жидкостей с использованием АПС определили в них ряд необычных свойств, обусловленными главным образом малыми размерами систем. Кроме того, было установлено, что пленка толщиной один молекулярный диаметр, сжатая между гидрофильными поверхностями слюды, имеет очень хорошие смазочные свойства.

С целью поиска теоретической модели, которая смогла бы дать возможность объяснить трибологические свойства тонкой пленки воды, в работе проведены компьютерные эксперименты с использованием метода молекулярной динамики. Исследовалось поведение молекул воды, сжатых между атомарно-гладкими абсолютно твердыми алмазными поверхностями. Пленка состоит с одного или двух слоев молекул, для которых использована модель TIP4P. В зависимости от приложенной к поверхностям нагрузке, силы сдвига и количества шаров жидкости исследовано равновесные и динамические свойства пленки. Полученные результаты указывают на способность модели отобразить общие свойства, принадлежащие ультратонким пленкам жидкости с простыми молекулами, сжатыми между атомарно-гладкими твердыми поверхностями.

В данной работе представлены результаты компьютерных экспериментов, в которых исследовалось влияние периодического рельефа атомарного масштаба алмазных поверхностей на поведение сжатых между ними молекул воды и аргона. Целью работы есть исследование поведения ультратонких пленок аргона, сжатых между алмазными поверхностями с периодическим атомарным рельефом, и сравнить с поведением ультратонких пленок воды и аргона, заключенных между гладкими и шероховатыми пластинами.



1. СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК ЖИДКОСТЕЙ, СЖАТЫХ МЕЖДУ ТВЕРДЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ

1.1 История исследований и экспериментальные инструменты

Трение является одной из самых старых проблем в физике с огромной практической значимостью. Оно издавна признавалось ограничивающим фактором для многочисленных практических применений и для многих технологических областей. Поэтому всегда существовал значительный интерес в понимании и контролировании этого процесса. Например, древние египтяне изобрели новые технологии передвижения камней, использовавшихся для построения пирамид; французский ученый Кулон изучал трение из-за необходимости в легком перемещении кораблей с суши на воду; исследования Джонсона автомобильных стеклоочистителей улучшили понимание контактной механики и поверхностных энергий. На сегодняшний день интерес и развитие трибологии - науки о трении - сфокусированы на микро- и наномасштабные машины с подвижными частями, что продолжает требовать понимания принципов, лежащих в основе трения. Это мотивировало исследователей изучать данное явление на очень малых масштабах, определять его фундаментальные причины, и обусловило появление нового направления трибологии, названного нанотрибологией. Исследования трения на атомарном уровне также проложили путь для некоторых инноваций, например, самосмазывающихся поверхностей и стойких к износу материалов. Известно, что механизмы трения на наноуровне иногда полностью отличаются от механизмов, доминирующих на макромасштабах. Это имеет непосредственное значение для устройств с нанометровыми режимами работы, например, магнитных запоминающих дисков, размеры которых постепенно уменьшились на протяжении нескольких последних лет, и микроэлектромеханических систем, где трение на атомарном уровне, адгезия и износ являются доминирующими процессам.

Научные исследования трения на атомарном масштабе стали проводиться с конца 1980-х годов. Это произошло благодаря одновременному развитию новых экспериментальных инструментов для измерения трения на нанометровых расстояниях при небольших нагрузках, быстрому росту вычислительных мощностей компьютеров, а также дозреванию теоретических методов, необходимых для изучения процессов в материалах реалистическими способами. Например, аппарат поверхностных сил (АПС) и зондовая сканирующая микроскопия обеспечили исследователей новой информацией о трении и смазывании многих жидких и твердых систем с необыкновенно высокой разрешающей способностью. С помощью современной экспериментальной аппаратуры можно исследовать поверхности трения на атомарном уровне и, в конце концов, связать наблюдаемое поведение с явлениями, имеющими место на макроскопическом уровне [5].

Экспериментальное исследование граничных смазок проводится с помощью АПС, модифицированного для экспериментов по трению.

Схематически он представлен на рисунке 1.1. Основная часть АПС состоит из двух молекулярно-плоских поверхностей слюды каждая толщиной около 2 мкм, покрытых полупрозрачным 50 - 60 нм слоем серебра и приклеенных к цилиндрическим кремниевым дискам радиуса 10 мм. Оси цилиндров взаимно перпендикулярны, используется схема перекрещивающихся цилиндров. Поверхности слюды находятся в герметичной камере, заполненной исследуемой жидкостью или газом. Расстояние между поверхностями контролируется с точностью до 0.1 нм (для измерений используется оптическая интерференция полос равного хроматического порядка), силы - с точностью до 10 нН.

Подвижный блок перемещается с помощью пьезоэлектрической трубки, в результате пружины деформируются, и, исходя из деформаций, определяется сдвиговая (латеральная) сила. АПС также позволяет контролировать нагрузку (нормальную силу) и скорость сдвига и одновременно измерять расстояние между поверхностями, форму поверхностей, истинную (молекулярную) площадь контакта между атомарно-гладкими поверхностями, и изменение силы трения со временем.

Рисунок 1.1 - Верхняя часть: схематическое изображение АПС. Нижняя часть (слева направо): схема перекрещивающихся цилиндров, а также схематическое изображение оптических полос равного хроматического порядка для случаев, когда поверхности находятся на расстоянии друг от друга и сплюснуты с монослоем молекул между ними

Как правило, материалом пластин в экспериментах является слюда, поскольку она позволяет относительно легко получить атомарно-плоские поверхности. Однако в принципе с помощью АПС можно исследовать пластины из любого прозрачного материала, в частности, проводились эксперименты для сапфира и кремния [11].

Описав экспериментальную установку для изучения граничных смазок, перейдем к рассмотрению основных трибологических понятий и законов.



1.2 Основные трибологические понятия и законы

Прежде всего, необходимо отличать два разных явления: статическое трение и кинетическое трение [1]. Статическая сила трения определяется как минимальная сила, необходимая для начала скольжения. Ее значение зависит от атомной структуры границы раздела поверхностей и адгезионных взаимодействий. Чтобы начать скольжение, необходимо или разорвать межатомные связи, или инициировать пластическое течение на границе жидкость - поверхность. Очевидно, что этот процесс будет происходить сначала в некоторых «слабых» местах.

Кинетическая сила трения - это сила, необходимая для поддержания скольжения двух поверхностей. Фактически кинетическое трение следует рассматривать как механизм перевода энергии поступательного движения в тепло. Поэтому значение величины определяется скоростью возбуждения различных степеней свободы системы благодаря скольжению. Энергия этих возбуждений со временем превращается в тепло.

Как статическое, так и кинетическое трение являются очень важными для практических применений, и в различных ситуациях требуется как высокое, так и низкое их значение. Без статического трения мы не могли бы ходить, а автомобили передвигаться. Высокое статическое трение необходимо для стабильного удержания механических конструкций, соединенных гайками...