 Ученые Аргонны идентифицировали и улучшили новый механизм для устранения трения, что привело к разработке гибридного материала, которые впервые имеет супергладкость в макромасштабе. Исследователи преодолели узкие места, которые в два раза ускорили код команды.
При рассмотрении результатов моделирования нового перспективного материала смазки, один из исследователей наткнулся на явления, которые никогда не наблюдались раньше. Они были поражены тем, что показали компьютерные симуляции. Когда смазочные материалы - графен и алмазоподобный углерод - скользили друг против друга, графен стал сворачиваться до образования полого цилиндрического «свитка», который помог практически исключить трение. Эти так называемые наносвитки представили совершенно новый механизм супергладкости - состояния, в котором трение практически исчезает.
Супергладкость является весьма желательным свойством. Учитывая, что почти одна треть всего топливного бака расходуется на преодоление трения в автомобилях, материал, который может достичь супергладкости, оказал бы большую пользу промышленности и потребителями. Такие материалы могут также помочь увеличить срок службы бесчисленных механических компонентов, которые изнашиваются из-за непрекращающихся трений.
Сочетание графена и алмазоподобного углерода показывало очень низкий коэффициент трения очень низкий (соотношение, которое измеряет силу трения между двумя поверхностями), но уровни трения изменялись вверх и вниз без всякой видимой причины. Экспериментаторы также были озадачены тем, что влажная среда вызывала увеличение коэффициента трения в 100 раз больше по сравнению с сухой средой.
Чтобы пролить свет на эти таинственные поведения, исследователи воспроизвели условия эксперимента с крупномасштабной симуляцией молекулярной динамики, направленной на понимание, лежащее в основе механизмов супергладкости на атомистическом уровне. Это привело к их открытию графеновых наносвитков, которые помогли заполнить пробелы. Колебания уровня трения материала объяснялись тем, что сами наносвитки не были стабильными. Исследователи наблюдали повторяющийся узор, в котором формироались полые наносвитки, которые затем разрушались под давлением нагрузки.
У вычислительных ученых пявилась идея, чтобы преодолеть эту проблему. Они попытались включить частицы наноалмазов в их моделирование, чтобы увидеть, может ли твердый материал помочь стабилизировать наносвитки и сделать их более постоянным.
Конечно же, моделирование оказалось успешным. Графеновые слои спонтанно свернулись вокруг наноалмазов, что и привело к устойчивой супергладкости. Результаты моделирования в новой серии экспериментов с наноалмазами подтвердили то же самое.
К сожалению, добавление наноалмазов не решило проблему отвращения материала к воде. Моделирование показало, что вода подавляет образование свитков путем увеличения адгезии графена на поверхности. Хотя это существенно ограничивает возможности применения гибридного материала, его способность поддерживать супергладкость в сухих средах уже является значительным прорывом.
Исследовательская группа находится в процессе поиска патента для гибридного материала, которые потенциально может быть использованы для применения в сухих условиях, таких как компьютерные жесткие диски, ветряные турбины и механические уплотнения для микроэлектромеханических и наноэлектромеханических систем.
Добавление к апелляции материала является относительно простым и экономически эффективным методом осаждения. Этот метод включает в себя распыление растворов материала на движущиеся механические части. Когда раствор испаряется, он должен покинуть графен и наноалмазы на одной стороне подвижной части, и алмазоподобные углероды на другой стороне.
Тем не менее, знания, полученные от их изучения, пожалуй, станут даже более ценными. Ожидается что механизм наносвитков стимулирует будущие усилия по разработке материалов со супергладкостью для широкого круга механических приложений.
Со своей стороны, команда будет продолжать свои вычислительные исследования, чтобы искать пути, чтобы преодолеть барьер, представленный водой.
|
