Supersmørhed - Superlubricity
Superlubricity er et regime af bevægelse i hvilken friktion forsvinder eller næsten forsvinder. Hvad der er et "forsvindende" friktionsniveau er ikke klart, hvilket gør udtrykket supersmørhed ganske vagt. Som en ad hoc- definition kan der anvendes en kinetisk friktionskoefficient på mindre end 0,01. Denne definition kræver også yderligere diskussion og afklaring.
Supersmørhed kan forekomme, når to krystallinske overflader glider over hinanden i tør, uforlignelig kontakt. Denne effekt, også kaldet strukturel smøreevne , blev foreslået i 1991 og verificeret med stor nøjagtighed mellem to grafitoverflader i 2004. Atomer i grafit er orienteret sekskantet og danner et atomisk bjerg-og-dal-landskab, der ligner et æg -crate. Når de to grafitoverflader er i registreringsdatabasen (hver 60. grad), er friktionskraften høj. Når de to overflader drejes ud af registeret, reduceres friktionen kraftigt. Dette er som to ægkasser, som lettere kan glide over hinanden, når de "vrides" i forhold til hinanden.
Observation af superlubricitet i mikroskala grafitstrukturer blev rapporteret i 2012 ved at klippe en firkantet grafitmesa nogle få mikrometer på tværs og observere det tilbageklædte lags selvindtrækning. Sådanne effekter blev også teoretisk beskrevet for en model af grafen og nikkellag. Denne observation, som er reproducerbar selv under omgivelsesbetingelser, skifter interessen for supersmørhed fra et primært akademisk emne, der kun er tilgængeligt under meget idealiserede forhold, til en med praktiske implikationer for mikro- og nanomekaniske enheder.
En tilstand af ultralav friktion kan også opnås, når en skarp spids glider over en plan overflade, og den påførte belastning er under en bestemt tærskel. En sådan "superlubric" tærskel afhænger af spids-overflade-interaktion og stivhed af de materialer, der er i kontakt, som beskrevet af Tomlinson-modellen . Tærsklen kan øges betydeligt ved at spænde glidesystemet ved dets resonansfrekvens , hvilket antyder en praktisk måde at begrænse slid på nanoelektromekaniske systemer .
Supersmørhed blev også observeret mellem en guld AFM-spids og Teflonsubstrat på grund af frastødende Van der Waals-kræfter og hydrogenbundet lag dannet af glycerol på ståloverfladerne. Dannelse af det hydrogenbundne lag blev også vist at føre til supersmørhed mellem kvartsglasoverflader smurt med biologisk væske opnået fra mucasen af Brasenia schreberi . Andre mekanismer for supersmørhed kan omfatte: (a) Termodynamisk frastødning på grund af et lag af frie eller podede makromolekyler mellem legemerne, så mellemlagets entropi falder på små afstande på grund af stærkere indespærring; (b) Elektrisk frastødning på grund af ekstern elektrisk spænding; (c) Afstødning på grund af elektrisk dobbeltlag; (d) Frastødning på grund af termiske udsving.
Ligheden af udtrykket supersmørhed med udtryk som superledningsevne og superfluiditet er vildledende; andre energispredningsmekanismer kan føre til en begrænset (normalt lille) friktionskraft. Supersmørhed er mere analog med fænomener som superelasticitet , hvor stoffer såsom nitinol har meget lave, men ikke-nul, elastiske moduler; superkøling , hvor stoffer forbliver flydende indtil en lavere temperatur end normalt super sort , der reflekterer meget lidt lys kæmpe magnetoresistance , hvor meget store, men endelige magnetoresistance-effekter observeres i skiftende ikke-magnetiske og ferromagnetiske lag; superharde materialer , som er diamanter eller næsten lige så hårde som diamanter; og superlinsering , som har en opløsning, der, selvom den er finere end diffraktionsgrænsen , stadig er endelig.
Supersmørhed i makroskalaen
I 2015 har " Argonne ", et team ledet af Dr. Anirudha Sumant, været i stand til eksperimentelt at demonstrere supersmørhed i ægte mikroskala for første gang [8]. De detaljerede eksperimentelle undersøgelser blev understøttet af sofistikerede beregningsstudier. Argonne-forskere brugte Mira [supercomputer] til at simulere op til 1,2 millioner atomer til tørre miljøer og op til 10 millioner atomer til fugtige miljøer [8] Forskerne brugte LAMMPS-koden (Large-scale Atomic / Molecular Massively Parallel Simulator) til at udføre den beregningsmæssige krævende reaktive molekylære dynamik simuleringer. Dette team optimerede LAMMPS og implementeringen af ReaxFF ved at tilføje OpenMP- threading, erstatte MPI punkt-til-punkt-kommunikation med MPI-kollektiver i vigtige algoritmer og udnytte MPI I / O. Alt i alt tillod disse forbedringer koden at udføre dobbelt så hurtigt som før. "Dr. Sumants forskergruppe har allerede erhvervet tre amerikanske patenter på supersmørhed, og der er flere i processen, som potentielt kan bruges til applikationer i tørre miljøer, såsom computerharddiske, vindmølletandhjul og mekaniske roterende tætninger til mikroelektromekanisk og nanoelektromekanisk En nylig TEDX-tale om Superlubricity af Dr. Sumant kan findes her: https://www.youtube.com/watch?v=ml1Rj6_W3eY
Se også
Referencer
8. Makroskala superlubricitet aktiveret af grafen nanoscroll dannelse ; D. Berman, SA Deshmukh, SKRS Sankaranarayanan, A. Erdemir, AV Sumant. Videnskab, 2015; 348 (6239): 1118 DOI: 10.1126 / science.1262024