Кіріспе

Нано масштабтағы үйкеліс, тозу, жабысу және майлау құбылыстарын зерттеу. Нанотрибология – трибологияның нано масштабтағы үйкеліс, тозу, жабысу және майлау құбылыстарын зерттейтін саласы, онда атомдық өзара әрекеттесулер мен кванттық эффектілер маңызды рөл атқарады. Осы ғылымның мақсаты – ғылыми және технологиялық мақсаттар үшін беттерді сипаттап, өзгерту. Нанотрибологиялық зерттеулер тарихи тұрғыдан алғанда тікелей және жанама әдістерді қамтиды. Микроскопиялық әдістер, соның ішінде сканерлеуші туннельдік микроскоп (СТМ), атомдық күш микроскопы (АФМ) және беттік күштер аппараты (SFA) өте жоғары ажыратымдылықпен беттерді талдау үшін қолданылған, ал есептеу әдістері және кварцтық кристалл микробалансы (QCM) сияқты жанама әдістер де кеңінен пайдаланылды. Нано масштабта беттердің топологиясын өзгерту арқылы үйкеліс макроскопиялық майлау мен жабысуға қарағанда күштірек азайтылуы немесе күшейтілуі мүмкін; осылайша, супермайлау және супержабысуға қол жеткізуге болады. Микро және наномеханикалық құрылғылардағы үйкеліс және тозу мәселелерін, олардың жоғары беттік көлем қатынасының салдарынан маңыздылығы артады, қозғалатын бөлшектерді супермайлау жабындарымен жабу арқылы шешуге болады. Екінші жағынан, жабысу проблема тудырған жағдайда, нанотрибологиялық әдістер осы қиындықтарды жеңуге мүмкіндік береді.

Тарих

Ырғақ пен тозу ежелгі заманнан бері технологиялық мәселе болып келген. Бір жағынан, соңғы ғасырлардағы ғылыми тәсілдер трибологияның макроскопиялық аспектілеріне және негізгі механизмдерді түсінуге бағытталды. Екінші жағынан, нанотрибологияда зерттелетін жүйелер нанометрлік құрылымдардан тұрады, онда көлемдік күштер (масса және гравитация сияқты) көбінесе беттік күштерге қарағанда мардымсыз болып есептеледі. Мұндай жүйелерді зерттеуге арналған ғылыми құралдар 20-шы ғасырдың екінші жартысында ғана жасалды. 1969 жылы екі тегіс бет арасындағы молекулалық жұқа сұйық қабатты зерттеу үшін алғашқы СФА (Surface Force Apparatus) әдісі әзірленді. Осы бастамадан кейін, 1980-ші жылдары зерттеушілер қатты дене беттерін атомдық деңгейде зерттеу үшін басқа да техникаларды қолданды. Нанодеңгейдегі ырғақ пен тозуды тікелей бақылау алғашқы Сканерлеуші Түннельдік Микроскоппен (СТМ) басталды, ол беттердің үш өлшемді суреттерін атомдық ажыратымдылықпен алуға мүмкіндік береді; бұл құралды Герд Биннинг пен Хенрих Роррер 1981 жылы жасады. STM тек өткізгіш материалдарды зерттей алады, бірақ 1985 жылы Биннинг пен оның әріптестері Атомдық Күш Микроскопын (AFM) ойлап тапқаннан кейін өткізбейтін беттерді де қарастыру мүмкін болды. Кейіннен AFM нормальды және ырғақтық күштер туралы деректер алу үшін модификацияланды: осы модификацияланған микроскоптар Ырғақтық Күш Микроскоптары (FFM) немесе Бүйірлік Күш Микроскоптары (LFM) деп аталады. "Нанотрибология" термині алғаш рет 1990 жылғы жарияланымның тақырыбында, ал 1991 жылғы жарияланымда және 1995 жылы Nature журналында жарияланған маңызды шолу мақаласының тақырыбында қолданылды. 1969 жылдан бастап, осы сипаттағы алғашқы құрал сипатталғаннан бері, оның көптеген нұсқалары жасалды. Бұрынғы нұсқаларымен салыстырғанда компоненттері аз, пайдалану және тазалау оңайырақ SFA 2000 қазіргі кезде нанотрибологиялық мақсаттар үшін жұқа пленкалар, полимерлер, нанобөлшектер және полисахаридтерді зерттеуде қолданылатын ең жетілген құралдардың бірі болып табылады. SFA 2000 бір ғана консольмен жабдықталған, ол катушкалар және пьезоэлектрлік материалдар арқылы механикалық түрде ірі және электрлік жағынан ұсақ қозғалыстарды жеті мәндік диапазон ішінде жасауға қабілетті. Қосымша нәзік басқару пайдаланушыға 1 Å-дан кем позициялық дәлдікке қол жеткізуге мүмкіндік береді. Үлгі екі молекулалық тегіс мика бетімен қамтылады, онда ол эпитаксиалды түрде мінсіз жабысады.

Сканерлі зонд микроскопиясы

Нанотрибология зерттеулерінде АФМ және СТМ сияқты SPM техникалары кеңінен қолданылады. Ұшы сынаманың бетіне жақындатылады, нәтижесінде ұштың соңғы атомдары мен сынама арасындағы күштер осы өзара әрекеттесудің қарқындылығына пропорционалды түрде консольді иледі. Нормальды күштер күшінің таңбасына байланысты консольді тепе-теңдік позициясынан жоғары немесе төменге қарай иледі. Нормальды күшті келесі теңдеу арқылы есептеуге болады:

мұндағы – консольдің серпімділік константасы, – фотодетектордың шығысы, электр сигналы болып табылады және консольдің ығысуымен тікелей байланысты, ал – АФМ-нің оптикалық тетігінің сезімталдығы. Екінші жағынан, бүйірлік күштерді АФМ-ге өте ұқсас ФФМ арқылы өлшеуге болады. Басты айырмашылық – ұштың өзінің осіне перпендикуляр бағытта жылғалатындығында. Бұл бүйірлік күштер, яғни осы жағдайда үйкеліс күштері, консольдің бұрылуына әкеледі, бұл тек ұштың сынама бетіне, зондтың басқа бөліктеріне емес, жанасуын қамтамасыз ету үшін бақыланады. Әр қадамда бұрылыс өлшенеді және келесі формуламен үйкеліс күшімен байланыстырылады:

мұндағы – шығыс кернеуі, – консольдің бұрылу серпімділігі, – ұштың биіктігі плюс консольдің қалыңдығы және – бүйірлік иілу сезімталдығы. Ұш барлық өлшеу процесінде сынамамен жанасуы мүмкін, бұл контактты режим (немесе статикалық режим) деп аталады, әйтпесе ол тербелуі мүмкін, бұл соғу режимі (немесе динамикалық режим) деп аталады. Контактты режим әдетте қатты сынамаларға қолданылады, онда ұш тозу белгілерін қалдырмайды, мысалы, сызаттар мен бөлшектер. Жұмсақ материалдар үшін үйкеліс әсерін азайту үшін соғу режимі қолданылады. Бұл жағдайда ұш пьезоэлемент арқылы тербеліске келтіріліп, консольдің резонанстық жиілігінде, яғни 70-400 кГц және 20-100 нм амплитудамен бетке соғылады, бұл ұштың жабысу күші салдарынан сынамаға жабыспауына жеткілікті. Атомдық күш микроскопын сынаманың қаттылығын және Янг модулін өлшеу үшін наноиндентер ретінде қолдануға болады. Бұл қолданба үшін ұш алмастан жасалған және оны шамамен екі секунд бойы бетке басып, содан кейін әртүрлі жүктемелермен процедура қайталанады. Қаттылық максималды жүктемені индентердің қалдық іздеріне бөлу арқылы анықталады, ол индентердің қимасынан суға бату немесе үйілу құбылыстарына байланысты өзгеше болуы мүмкін. Янг модулін Оливер және Фарр әдісін қолдану арқылы есептеуге болады, бұл сынаманың қатаңдығы, ойыс ауданының функциясы және оның Янг және Пуассон модульдері арасындағы байланысты анықтауға мүмкіндік береді.

Атомдық симуляциялар

Нанотрибологияда есептеу әдістері наноиндентация, үйкеліс, тозу немесе майлау сияқты әр түрлі құбылыстарды зерттеу үшін ерекше пайдалы. Бұл құбылыстың, жүктемемен басқарылатын АФМ-де болатын түйісуден бастауы мүлдем өзгеше, себебі соңғысы консольдің шекті серпімділігінен туындайды. Контакттік режимде АФМ сканилеуін модельдеу нәтижесінде, бос орын немесе адатом тек атомдық дәлдіктегі ұшпен ғана анықталады. Ал контактсіз режимде бос орындар мен адатомдарды атомдық емес ұшы бар жиілік модуляциясы әдісімен ажыратуға болады. Қорытындысы, атомдық ажыратымдылыққа тек контактсіз режимде ғана АФМ арқылы қол жеткізуге болады.

Қиындық

Ығысу, салыстырмалы қозғалысқа қарсы келетін күш, әдетте Амонтонның бірінші және екінші заңдары мен Кулон заңы сияқты эмпирикалық заңдар арқылы идеалдастырылады. Дегенмен, нанодеңгейде мұндай заңдар өз мағынасын жоғалтуы мүмкін. Мысалы, Амонтонның екінші заңы бойынша, сүргіш коэффициенті контактілік ауданға тәуелсіз. Бірақ, жалпы алғанда, беттердің өңкейліктері (asperities) нақты контактілік ауданды азайтады, сондықтан осы ауданды азайту ығысуды азайтуға мүмкіндік береді. AFM немесе FFM сканилеу процесінде, үлгі бетінде сырғанаған ұш, атомдық орналасулармен немесе іріктеуде беттік тегіссіздіктермен анықталатын төмен (тұрақты) және жоғары потенциалдық энергия нүктелерінен өтеді. Жұқа пленкалар мен өздігінен жиналатын моноқабаттар жабысу құбылыстарын күшейту үшін де қолданылады. Перфторланған майлау материалдарынан (PFPE) жасалған екі түрлі химиялық құрамы бар жұқа пленка ылғалды ортада қарама-қарсы мінез-құлық танытты: гидрофобтылық, поляр емес топтары бар пленкалардың жабыс күшін арттырып, майлауын азайтады; ал гидрофилдылық, керісінше, поляр топтары бар пленкалар үшін қарсы әсер етеді.

Артық майлану

Суперсыпарлық – бұл үйкеліссіз трибологиялық күй, кейде наноөлшемдегі материалдардың қосылыстарында пайда болады. Наноөлшемде үйкеліс көбінесе изотропты емес болады: егер бір-біріне қарсы сырғанаған екі беттің беттік тор құрылымы үйлесімсіз болса, әр атом әртүрлі бағыттан әртүрлі күшке ұшырайды. Мұндай жағдайда күштер бір-бірін теңестіре алады, нәтижесінде үйкеліс дерлік нөлге жетеді. Бұл туралы алғашқы дәлел UHV STM құралын қолдану арқылы алынды. Егер торлар үйлесімсіз болса, үйкеліс байқалмайды, бірақ егер беттер үйлесімді болса, үйкеліс күші болады. Атомдық деңгейде бұл трибологиялық қасиеттер суперсыпарлықпен тікелей байланысты. Мысал ретінде графит, MoS2 және Ti3SiC2 сияқты қатты майлау материалдарын келтіруге болады: бұл осы қатты денелердің қабатты құрылысына байланысты қабаттар арасындағы сырғанауға төзімділігінің төмендігімен түсіндіріледі. Егер макроскопиялық масштабтағы үйкеліс әртүрлі өлшемдегі және бағытталған бірнеше микроконтакттарды қамтитын болса да, осы тәжірибелерге сүйене отырып, контакттардың көп бөлігі суперсыпарлық режимінде болады деп болжауға болады. Бұл орташа үйкеліс күшін айтарлықтай төмендетеді, сондықтан мұндай қатты денелер майлау эффектісіне ие. LFM арқылы жүргізілген басқа тәжірибелер көрсеткендей, егер қолданылатын нормальді жүктеме теріс болса, таяқшаның сырғанауы байқалмайды: ұштың сырғанауы тегіс және орташа үйкеліс күші нөлге жуық. Суперсыпарлықтың басқа механизмдері мыналарды қамтиды: (а) денелер арасындағы еркін немесе жабысқан макромолекулалар қабатының нәтижесінде термодинамикалық итергіш күш, сондықтан аралық қабаттың энтропиясы күшті шектеудің салдарынан кішкентай қашықтықта төмендейді; (б) сыртқы электр кернеуінен туындаған электрлік итергіш күш; (в) электрлік қос қабаттан туындаған итергіш күш; (г) жылулық флуктуациялардан туындаған итергіш күш.

Атомдық масштабтағы термосызықтық

AFM және FFM енгізілгеннен кейін, атомдық масштабтағы майлауға термиялық әсерлерді елемеуге болмайтындығы анықталды. Термиялық қоздыру ұштың сырғу бағытында да, кері де бірнеше рет секіруіне әкелуі мүмкін. Сырғу жылдамдығы төмен болғанда, ұштың төмен потенциалдық энергия нүктелері арасында жылжуына көп уақыт кетеді және термиялық қозғалыс оның көптеген спонтанды алға және кері секірулерін тудыруы мүмкін: демек, ұшты баяу қозғалысты ілестеу үшін қажетті бүйірлік күш аз болады, сондықтан үйкеліс күші өте төмендейді. Осы жағдайды сипаттау үшін термомайлау термині қолданылды.

Адгезия зерттеулерінің қолданылуы

Бұл құбылыс жұқа пленкаларда өте маңызды, себебі пленка мен беткей арасындағы үйлесімсіздік ішкі кернеулерге және, салдарынан, интерфейстің бөлінуіне әкелуі мүмкін. Индентермен қалыпты жүктеме түсірілгенде, пленка пластикалық деформацияға ұшырайды, жүктеме белгілі бір шекті мәнге жеткенше: интерфейстік жарық пайда болады. Жарық радиалды бағытта таралып, пленка бүктеліске дейін жетеді.

Қалыптастыру

Тозу – механикалық әрекеттердің нәтижесінде материалдың алынуы мен деформациялануымен байланысты. Нанодеңгейде тозу біркелкі болмайды. Тозу механизмі әдетте материалдың бетінен басталады. Екі беттің салыстырмалы қозғалысы беттік материалдың алынуы және деформациялануынан пайда болатын ойыстарға (іңдерге) әкеледі. Қозғалыс жалғасқанда, бұл ойыстар ені мен тереңдігі бойынша үлкейе береді.