Влажность может быть ключом к "переключению" сверхсмазывающей способности

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 12 января 2023 г., 12:13:57 MSK
  • 0 комментариев
  • 33 просмотра
Состояние материала, известное как сверхсмазывающая способность, при которой трение между двумя контактирующими поверхностями почти исчезает, - это явление, которое исследователи материалов изучали в течение многих лет из-за возможности снижения затрат энергии и износа устройств, двух основных недостатков трения. Однако бывают случаи, когда трение необходимо в пределах одного и того же устройства, и возможность включать и выключать сверхсмазывающую способность была бы благом для множества практических инженерных применений.

Иногда трение является хорошим, например, трение между дорогой и шинами автомобиля, чтобы предотвратить занос автомобиля. Но иногда трение вредно - если бы вы не заливали масло в тот же самый автомобиль, в подшипниках двигателя было бы так много трения, что автомобиль не смог бы работать.

Состояние материала, известное как сверхсмазывающая способность, при которой трение между двумя контактирующими поверхностями почти исчезает, - это явление, которое исследователи материалов изучали в течение многих лет из-за возможности снижения затрат энергии и износа устройств, двух основных недостатков трения. Однако бывают случаи, когда трение необходимо в пределах одного и того же устройства, и возможность включать и выключать сверхсмазывающую способность была бы благом для множества практических инженерных применений.

Сон Ким, заслуженный профессор химической инженерии и заместитель заведующего кафедрой химической инженерии Пенсильванского государственного университета, и Чжэ Чен, научный сотрудник Государственной ключевой лаборатории гидроэнергетики и мехатронных систем и кафедры машиностроения Чжэцзянского университета, предложили в исследовании в Применяемые материалы сегодня что этот переключатель сверхсмазывающей способности может быть найден во влажности. В частности, водяной пар и пары фенола, которые относятся к семейству органических соединений.

Сверхсмазывающая способность является ключевой характеристикой некоторых двумерных (2D) материалов, которые состоят из одного слоя атомов, особенно графена и дисульфида молибдена. Графен часто используется в качестве твердой смазки в виде покрытия на различных материалах, таких как металлы и пластмассы. В графене атомы ориентированы гексагональным образом, что формирует этот ландшафт гор и долин, очень похожий на ящик из-под яиц в супермаркете.

"Когда вы идете в магазин, чтобы купить ящик из-под 36 яиц, у вас есть пики и впадины, сильно рифленая структура", - сказала Ким. "Если вы поставите два ящика из-под яиц друг на друга так, чтобы решетки были обращены друг к другу и совпадали, будет чрезвычайно трудно скользить друг по другу, так как вершины одного находятся в долине другого. Но если вы немного повернете один из них, чтобы пики не переходили в впадины, они могут очень легко скользить, и поэтому графен может обладать сверхсмазывающей способностью ".

Снижение трения почти до нуля является преимуществом для уменьшения износа механических устройств и экономии энергии. Но это также может быть чем-то нежелательным.

"Поскольку трение вызывает от 25% до 30% потерь энергии в грузовиках и автомобилях и может привести к износу деталей машин, его устранение может быть полезным", - сказал Ким. "Однако вы можете себе представить, что если мы полностью уберем трение, у нас не будет никакой тяги. Если у нас нет никакой тяги, то из-за этого транспортному средству или другой машине чрезвычайно трудно контролировать свое движение".

Это делает возможность включать и выключать суперсмазывающую способность важной; однако долгое время считалось, что это чрезвычайно трудно сделать, даже невозможно. Недавно эта сверхсмазывающая способность стала рассматриваться как более возможная, с идеями, включающими механическую силу, воздействие света и т.д. в качестве потенциальных способов ее выключения и включения.

Однако Ким и его команда добились многообещающих результатов, изменив окружающую среду, а именно, сделав ее более влажной с помощью воды и паров фенола.

Они использовали зонд из оксида кремния на графитовой базовой плоскости, чтобы продемонстрировать, как это может быть возможно. Кремний обычно используется в микроэлектромеханических системах (МЭМС), которые имеют крошечные движущиеся части и используются в таких устройствах, как акселерометры, используемые в Apple Watch и мобильных телефонах для измерения скорости.

Исследователи обнаружили, что наноразмерная сверхсмазывающая способность между кремнеземным наконечником и поверхностью графена может быть настроена путем адсорбции различных молекул из окружающей среды. Они обнаружили, что сверхнизкое трение может быть увеличено в 25 раз водяным паром и в 45 раз парами фенола. Когда вода адсорбируется на поверхности кремнезема, она образует наноструктуру, подобную структуре, которую она имеет в твердом состоянии, льду.

"Когда мы увеличиваем влажность, вода оказывается на поверхности диоксида кремния", - сказал Ким. "Мы можем перестроить структуру таким образом, чтобы ледяная решетка совпадала с графитовой решеткой. Атомарные гофры совпадают друг с другом, затем трение возрастает. Это исследование предполагает, что если бы мы могли разработать способ контроля влажности поверхности материала, это позволило бы кремнезему скользить поверх поверхности графита более технологичным способом. Как только мы это сделаем, мы сможем включать и выключать супер-смазку".

Одним из следующих шагов в этом исследовании было бы совершенствование процесса, позволяющего применять эту технику на практике. Ким отмечает, что, хотя крупномасштабное макроиспользование переключателя с повышенной смазывающей способностью может оказаться весьма далеким, применение MEMS в таких устройствах, как мобильные телефоны и Fitbits, возможно в более короткие сроки.

"Поскольку это такие маленькие устройства, сила приведения в действие настолько мала, что любое трение может вывести устройство из строя, и тогда, чтобы предотвратить подобные проблемы с отказом, многие устройства MEMS имеют покрытия из хлорированного углерода, но это органические покрытия", - сказал Ким. "И тогда эти органические покрытия не могут долго выдерживать повторяющиеся циклы, потому что они изнашиваются. Но если мы сможем нанести графен в качестве покрытия, а затем мы сможем контролировать включение и выключение трения, тогда мы сможем очень точно управлять движением. И тогда инженеры смогут вернуться к тем старым устройствам и технологиям, которые были разработаны, но не могли быть использованы из-за проблем с трением. Это может привести к созданию более совершенных или даже новых устройств".

Ким также отметил, что эта исследовательская работа является фундаментальным интерпретирующим исследованием, и он указывает, что открытие, сделанное в этом исследовании, говорит о важности фундаментальной науки.

"Мы не смогли бы сделать такого рода открытие, если бы просто смотрели на наши публикации и не выполняли основную работу", - сказал Ким. "Некоторые могут подумать, что прорывы приходят естественным путем, но на это затрачивается много усилий. Мы не можем забывать о фундаментальной науке, которая ведет к этим совместным исследованиям и открытиям".

Работа была поддержана Национальным научным фондом.

Комментарии

0 комментариев