Supersmörjighet
Inom fysiken (särskilt tribologi ) är superlubricitet en rörelseregim där friktionen försvinner eller nästan försvinner. Vad som är en "försvinnande" friktionsnivå är inte klart, vilket gör termen ganska vag. Som en ad hoc -definition kan en kinetisk friktionskoefficient mindre än 0,01 användas. Denna definition kräver också ytterligare diskussion och förtydligande.
Supersmörjhet kan uppstå när två kristallina ytor glider över varandra i torr ojämn kontakt. Denna effekt, även kallad strukturell lubricitet, föreslogs 1991 och verifierades med stor noggrannhet mellan två grafitytor 2004. Atomerna i grafit är orienterade på ett hexagonalt sätt och bildar ett atomärt kulle-och-dallandskap, som ser ut som ett ägg -spjällåda. När de två grafitytorna är i register (var 60:e grader) är friktionskraften hög. När de två ytorna roteras ur register minskas friktionen avsevärt. Detta är som två ägglådor som lättare kan glida över varandra när de är "vridna" i förhållande till varandra.
Observation av supersmörjhet i mikroskala grafitstrukturer rapporterades 2012, genom att klippa en kvadratisk grafitmesa några mikrometer tvärs över, och observera självretraktionen av det klippta lagret. Sådana effekter beskrevs också teoretiskt för en modell av grafen- och nickelskikt. Denna observation, som är reproducerbar även under omgivande förhållanden, flyttar intresset för supersmörjhet från ett primärt akademiskt ämne, tillgängligt endast under mycket idealiserade förhållanden, till ett med praktiska implikationer för mikro- och nanomekaniska enheter .
Ett tillstånd av ultralåg friktion kan också uppnås när en vass spets glider över en plan yta och den applicerade belastningen är under en viss tröskel. Ett sådant tröskelvärde för "superlubric" beror på interaktionen mellan spets och yta och styvheten hos materialen i kontakt, som beskrivs av Tomlinson-modellen . Tröskeln kan ökas avsevärt genom att excitera glidsystemet vid dess resonansfrekvens , vilket föreslår ett praktiskt sätt att begränsa slitage i nanoelektromekaniska system .
Supersmörjhet observerades också mellan en guld AFM-spets och teflonsubstrat på grund av frånstötande Van der Waals-krafter och vätebundet lager bildat av glycerol på stålytorna. Bildning av det vätebundna skiktet visade sig också leda till supersmörjhet mellan ytor av kvartsglas som smörjts med biologisk vätska erhållen från slem av Brasenia schreberi . Andra mekanismer för supersmörjbarhet kan inkludera: (a) Termodynamisk repulsion på grund av ett lager av fria eller ympade makromolekyler mellan kropparna så att entropin i det mellanliggande lagret minskar på små avstånd på grund av starkare inneslutning; (b) Elektrisk repulsion på grund av extern elektrisk spänning; (c) Repulsion på grund av elektriskt dubbelskikt; (d) Repulsion på grund av termiska fluktuationer.
Likheten mellan termen superlubricitet med termer som supraledning och superfluiditet är missvisande; andra energiavledningsmekanismer kan leda till en ändlig (normalt liten) friktionskraft. Superlubricitet är mer analogt med fenomen som superelasticitet , där ämnen som Nitinol har mycket låga, men icke-noll, elasticitetsmoduler; underkylning , där ämnen förblir flytande tills en lägre temperatur än normalt; supersvart , som reflekterar väldigt lite ljus; jättemagnetoresistans , där mycket stora men ändliga magnetoresistanseffekter observeras i alternerande icke-magnetiska och ferromagnetiska skikt; superhårda material , som är diamant eller nästan lika hårda som diamant; och superlinsing , som har en upplösning som, även om den är finare än diffraktionsgränsen , fortfarande är finit.
Supersmörjhet i makroskala
Under 2015 har ett team ledd av Dr. Anirudha Sumant vid Argonne National Laboratory experimentellt kunnat demonstrera supersmörjhet i verklig mikroskala för första gången. De detaljerade experimentella undersökningarna stöddes av sofistikerade beräkningsstudier. Argonne-forskare använde Mira [superdator] som simulerade upp till 1,2 miljoner atomer för torra miljöer och upp till 10 miljoner atomer för fuktiga miljöer. Forskarna använde LAMMPS- koden (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) för att utföra de beräkningskrävande simuleringarna av reaktiv molekylär dynamik. Detta team optimerade LAMMPS och dess implementering av ReaxFF genom att lägga till OpenMP- trådar, ersätta MPI -punkt-till-punkt-kommunikation med MPI-kollektiv i nyckelalgoritmer och utnyttja MPI I/O. Sammantaget gjorde dessa förbättringar det möjligt för koden att fungera dubbelt så snabbt som tidigare. Dr. Sumants forskargrupp har redan förvärvat tre amerikanska patent på supersmörjbarhet och fler är på gång, vilka potentiellt kan användas för applikationer i torra miljöer, såsom datorhårddiskar, vindturbinväxlar och mekaniska roterande tätningar för mikroelektromekaniska och nanoelektromekaniska system . Dr Sumant höll ett TEDX-föredrag om Superlubricity.