Нанотрибология.
Нанотехноло́гия — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. На сегодняшний день в мире нет стандарта, описывающего, что такое нанотехнологии, что такое нанопродукция. В Еврокомиссии создана специальная группа, которой дали два года на то, чтобы разработать классификацию нанопродукции.
Нанотрибология или молекулярная трибология (англ. nanotribology) — направление в трибологии, связанное с теоретическим и экспериментальным изучением процессов трения, износа и разрушения в атомных и молекулярных масштабах взаимодействия поверхностей. Предметом изучения нанотрибологии являются процессы сцепления-скольжения поверхностей контактирующих тел, влияние пленки смазки нанометровой толщины, электрические и механические свойства контактов в атомном и молекулярном масштабе и др. Эти процессы характеризуются ультрамалыми контактными давлениями, и их исследование, важное для построения нано- и микромеханических систем, стало возможным благодаря значительному развитию в последнее время экспериментальных методик и теоретических моделей. Наука о трении, или «трибология» (от греческого tribos, что дословно переводится как «тереть») является чрезвычайно важной как с научной, так и с практической точек зрения. Сразу отметим, что если в одних ситуациях желательно максимально снизить трение, то в других – наоборот, достичь максимально большого трения. Ввиду важности трения, его изучение началось более трех столетий назад [2]. Первые научные работы по изучению трения, дошедшие до нас, принадлежат Леонардо да Винчи (1452-1519), который обнаружил, что коэффициент трения не зависит от площади контакта. Затем Гийом Амонтон (1663-1705) показал, что сила трения прямо пропорционально нагрузке, т.е. весу скользящего блока. Леонард Эйлер (1707-1783) отметил, что надо различать статическое трение, которое изучал да Винчи, и кинетическое трение, исследованное Амонтоном. Наконец, Шарль Кулон (1736-1806) обнаружил, что кинетическое трение не зависит от скорости скольжения. Однако эти законы, получившие название законов Амонтона, оставались сугубо эмпирическими вплоть до середины прошлого столетия, когда Боудер и Табор предприняли первую попытку их объяснения с физической точки зрения. Они обратили внимание на то, что контактирующие поверхности практически всегда шероховаты, поэтому в действительности контакт осуществляется только на «бугорках» (asperities). В дальнейшем, более тщательные эксперименты показали, что законы Амонтона выполняются лишь приблизительно, а проблема трения значительно сложнее. Во-первых, трение все-таки зависит от скорости. Во-вторых, оно зависит от предистории контакта, т.е. трение оказывается разным для вновь созданного контакта и для контакта, который уже испытывал скольжение. Новая эра в изучении трения началась только около 15-20 лет назад как благодаря развитию новых экспериментальных методик (прежде всего «острийных» технологий, пришедших из физики поверхности – сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и его последующих усовершенствований – атомного силового микроскопа (АСМ) и фрикционного силового микроскопа (ФСМ), а также огромному прогрессу компьютерной техники, позволившей выполнять расчеты методом молекулярной динамики (МД) для реальных трибосистем. С трением мы сталкиваемся на каждом шагу, но без трения мы не сделали бы и шага. Невозможно представить себе мир без сил трения. В отсутствие трения многие кратковременные движения продолжались бы бесконечно. Земля сотрясалась бы от непрерывных землетрясений, так как тектонические плиты постоянно сталкивались между собой. Все ледники сразу же скатились бы с гор, а по поверхности земли носилась бы пыль от прошлогоднего ветра. Как хорошо, что всё-таки есть на свете сила трения! С другой стороны, трение между деталями машин приводит к их износу и дополнительным расходам. Приблизительные оценки показывают, что научные исследования в трибологии – науки о трении – могли бы сберечь около от 2 до 10% национального валового продукта. Два самых главных изобретения человека - колесо и добывание огня - связаны с силой трения. Изобретение колеса позволило значительно уменьшить силу, препятствующую движению, а добывание огня поставило силу трения на службу человеку. Однако до сих пор учёные далеки от полного понимания физических основ силы трения. И вовсе не потому, что людей с некоторых пор перестало интересовать это явление. Первая формулировка законов трения принадлежит великому Леонардо (1519), который утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна силе прижатия, направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Этот закон был заново открыт через 180 лет Г. Амонтоном, а затем уточнён в работах Ш. Кулона (1781). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов. До сих пор именно эта формула F тр = μ N, (1) где F тр - сила трения, N – составляющая силы прижатия, нормальная к поверхности контакта, а μ - коэффициент трения, является единственной формулой, которую можно найти в школьных учебниках по физике. В течение двух столетий экспериментально доказанный закон (1) никто не смог опровергнуть и до сих пор он звучит так, как 200 лет назад:
Уже в XIX веке стало ясно, что закон Амонтона-Кулона (1) не всегда правильно описывает силу трения, а коэффициенты трения отнюдь не являются универсальными характеристиками. Прежде всего, было отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности. Выяснилось, например, что сила трения в вакууме всегда больше, чем при нормальных условиях (см. таблицу внизу).
Сложность изучения трения заключается в том, что место, где этот процесс происходит, скрыт от исследователя со всех сторон. Несмотря на это, учёные уже давно пришли к заключению, что сила трения связана с тем, что на микроскопическом уровне (т.е. если посмотреть в микроскоп) соприкасающиеся поверхности очень шероховатые даже, если они были отполированы. Поэтому скольжение двух поверхностей друг по другу может напоминать фантастический случай, когда перевёрнутые Кавказские горы трутся, например, о Гималаи. Прежде думали, что механизм трения несложен: поверхность покрыта неровностями, и трение есть результат следующих друг за другом циклов «подъём-спуск» скользящих частей. Но это неправильно, ведь тогда не было бы потерь энергии, а при трении расходуется энергия. Более близкой к действительности можно считать следующую модель трения. При скольжении трущихся поверхностей микронеровности задевают друг за друга, и в точках соприкосновения противостоящие друг другу атомы "сцепляются". При дальнейшем относительном движении тел эти сцепки рвутся, и возникают колебания атомов, подобные тем, какие происходят при отпускании растянутой пружины. Со временем эти колебания затухают, а их энергия превращается в тепло, растекающееся по обоим телам. В случае скольжения мягких тел возможно также разрушение микронеровностей, так называемое "пропахивание", в этом случае механическая энергия расходуется на разрушение атомарных связей. Таким образом, если мы хотим изучать трение нам надо ухитриться двигать песчинку, состоящую из несколько атомов вдоль поверхности на очень маленьком расстоянии от неё, измеряя при этом силы, действующие на эту песчинку со стороны поверхности. Это стало возможным только после изобретения атомно-силовой микроскопии. Создание атомно-силового микроскопа (АСМ), способного чувствовать силы притяжения и отталкивания, возникающие между отдельными атомами, дало возможность, наконец, «пощупать», что такое силы трения, открыв новую область науки о трении – нанотрибологию. Долгое время было принято считать, что, принуждая одно тело скользить по другому, мы ломаем малые неоднородности одного тела, которые цепляются за неоднородности поверхности другого, и для того, чтобы ломать эти неоднородности, и нужна сила трения. Поэтому старые представления часто связывают возникновение силы трения с повреждением микровыступов трущихся поверхностей, их, так называемым износом. Нанотрибологические исследования с использованием АСМ и других современных методик показали, что сила трения между поверхностями может быть даже в тех случаях, когда они не повреждаются. Причиной такой силы трения служат постоянно возникающие и рвущиеся связи между трущимися атомами.
|
