Эффект действующей нагрузки На материалах, основанных на углероде, было проведено несколько исследований единичной неровности, в которых применялся АСМ. Несмотря на то, что все использовавшиеся образцы были углеродными, состав игл не всегда был аналогичным. Иглы коммерческого АСМ обычно состоят из Si или Si3N4, и лишь на немногих иглах были другие покрытия. До сих пор исследователи поднимали проблему покрытия самой иглы лишь в нескольких исследованиях. Покрытие иглы тем же материалом, из которого состоит образец, придает критически важное преимущество - граница аналогична той, которой будет обладать готовое устройство, полностью состоящее из этого материала. При проведении некоторых исследований было обнаружено, что ДМТ модель точно описывает изменение трения в зависимости от нагрузки. То есть, ур. 1 считается верным, уравнение по модели ДМТ для зоны контакта соответствует данным для трения, и в результате можно получить величину сопротивления сдвигу. Примеры изображены на Рис. 3a и 3b. Ожидается, что в этих материалах проявятся свойства, сходные с ДМТ моделью, так как материал применяется в пределах, для которых характерны небольшие радиусы игл, слабая адгезия, а также высокие модули упругости. Более позднее исследование монокристаллического алмаза выявило свойства, близкие к системе ДКР, что противоречит ожиданиям. Наблюдались значительные изменения от одного участка образца к другому, что предполагает сильную чувствительность к дефектам (Рис. 3c). Необходимо провести дополнительное моделирование и исследование для того, чтобы точно определить роль зоны контакта на наноуровне.   Рис. 3. (a) Соотношение трения и нагрузки для иглы из углеводорода на поверхности DLC, и пример для модели ДМТ. (b) Связанные с нагрузкой измерения по игле из углеводорода, представляющие среднюю фрикционную характеристику DLC-пленок (квадраты) и образцов высокоориентированного пиролитического графита (HOPG) (круги). Опытные данные соответствуют модели ДМТ. (с) Было проведено наблюдение за тремя средними показателями для различных комплектов данных по соотношению между трением и нагрузкой, которые отображают тип изменения силы трения в различных участках на одном кристалле. Кривые соответствуют модели для контактной зоны, которая находится между границами ДКР и ДМТ.
В всех тех случаях, когда в рамках одного исследования проводилось измерение взаимоотношения между трением и нагрузкой в различных материалах, покрытых углеродом, было обнаружено, что высокоориентированный пиролитический графит (HOPG) обладает самым слабым сопротивлением против скольжения (Рис. 3b), затем алмаз и DLC. Тем не менее, трибологические характеристики любой границы могут сильно зависеть от ориентации, топографии, химического состава, структуры связей, упругих/пластических свойств, а также окружающих условий. Если возникнет необходимость определить физические причины трения и рассеяния энергии, следует принять во внимание необходимость аккуратного измерения этих факторов.
ВЛИЯНИЕ ОРИЕНТАЦИИ Алмаз На макроуровне монокристаллы алмаза демонстрируют сильные эффекты ориентации, когда трение и износ зависят как от ориентации поверхности, так и от направления скольжения. Данные наноуровня значительно отличаются. Частично это происходит потому, что удается избежать износа, но это также может быть вызвано повышенным воздействием взаимодействия между соседними атомами. В 1993 году группой из IBM было проведено исследование поверхностей монокристаллического алмаза. При этом использовалась алмазная игла АСМ с радиусом 30 нм. После нескольких экспериментов были получены средние данные по силе трения. Не было обнаружено никаких различий между двумя поверхностями, исключая качественные различия между рисунками трения, которые можно отнести к различным промежуткам в решетке и ориентациям. Наблюдались изменения трения на атомном уровне; в следующем разделе описывается этот эффект «скачкообразного движения». Дальнейшие исследования эффектов ориентации обнаружили больше количественных различий на поверхностях алмаза с Н-поверхностями. Во время совмещенного МД и АСМ исследования вновь не было обнаружено никакой зависимости сопротивления сдвигу от ориентации поверхности или направления скольжения. Исключением стал один случай: скольжение на поверхности (001) с реконструкцией (2 × 1). МД и АСМ выявили снижение уровня трения в тех случаях, когда скольжение на этой поверхности сравнивалось со всеми другими, что было отнесено к неоднородным димерным рядам (Рис. 4), созданным в результате реконструкции (2 × 1). Это демонстрирует, что местная ориентация атомных связей на самом деле воздействует на трение, происходящее на наноуровне. Необходимо провести дополнительную работу, так как во время экспериментов с МД и АСМ использовались различные иглы и скорости сканирования, а в МД симуляции не были включены адгезионные взаимодействия. Во время экспериментов поверхности (111) продемонстрировали более низкий уровень адгезии, чем поверхности (001). Это наблюдение пока не получило теоретического объяснения, но оно сильно повлияло на те области применения, в которых адгезия нежелательна.
Рис. 4. (a) Поверхность алмаза с Н-поверхностью, который использовался в МД симуляциях и продемонстрировал реконструкцию 2 × 1; использовалась одна игла (в данном случае, плоская нанопроволочная игла). (b) Средние данные по соотношению между трением и нагрузкой, из МД симуляций, на изображении размером 300 К используется нанопроволочная алмазная игла, указанная в пункте (а).
Графит и эффект сверхвысокой смазывающей способности Когда игла АСМ сдвигается над поверхностью кристаллической решетки, она часто движется по изменчивой модели «скачкообразного движения», которая соответствует решетке. Впервые это наблюдалось на графите, и с тех пор сообщалось об аналогичном эффекте на многих других материалах, в том числе алмазе. В основном это происходит потому, что податливость системы (выступ, игла и зона контакта) аккумулирует энергию во время сдвига. Эта энергия внезапно высвобождается, когда градиент поперечной силы в направлении скольжения падает ниже уровня жесткости самой системы, что становится основной причиной механической неустойчивости. Так как сила латерального взаимодействия в обязательном порядке является периодической вследствие симметрии поверхности кристалла, модель скачкообразного движения повторяется на каждом участке решетки, создавая поразительные рисунки, которые соответствуют периодичности решетки. На Рис 5a изображен пример с поверхности графита. Модель скачкообразного поведения становится причиной ненужного накопления и рассеяния энергии. Было продемонстрировано, что эффект становится сильнее при более высоких нагрузках. На графите наблюдался переход к двойной периодичности, что с качественной точки зрения соответствовало теоретическим прогнозам.
Рис. 5. (a) изображение действия поперечной силы на участке образца HOPG площадью 2.5 нм × 2.5 нм; демонстрируется скачкообразное движение по атомной решетке с периодичностью примерно 0.25 нм, что соответствует промежуткам в решетке HOPG размером 0.246 нм. (b) Средняя сила по нанесенной на график силе трения против угла вращения графитового образца. Два острых пика наблюдаются при углах 0° и 61° соответственно. Между ними трение крайне низкое. Сплошная кривая отображает результаты модельного расчета.  В последнее время исследователи подавили скачкообразную неустойчивость. Оставшееся фрикционное рассеяние находится ниже пригодных к записи уровней, и этот феномен был назван (возможно, ошибочно) «сверхвысокая смазывающая способность». В любом случае, трение снижается очень сильно. Одним из способов перехода к устойчивому и слабому трению является уничтожение периодичности поперечного потенциала путем придания границе несоразмерности. Данный результат был достигнут для графита экспериментальным образом. При этом использовалась графитовая пластина, случайным образом присоединенная к игле АСМ одной из новейших модификаций, что позволило провести трехмерное измерение силы. Если вращать образец по отношению к игле, то границу можно сделать соразмерной только на предустановленных направлениях (Рис. 5b). Несоразмерность приводит к снижению уровня трения на порядки в сравнении с соразмерным скольжением. Это открытие дает возможность объяснить исключительную смазывающую способность графитовых твердых смазочных материалов на макроуровне. Также оно позволяет предположить, что несоразмерность является главным условием снижения уровня трения. Возможно именно из-за этого можно наблюдать низкий уровень трения при скольжении вложенных углеродных нанотрубок.
При подготовке статьи использованы материалы:
www.nanotoday.com
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях - проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование
Автор: Любовь Олиферова,
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru | 
