Выполнив моделирование наноразмерного трения на атомном уровне, Лин Дай и его сотрудники из Института высокопроизводительных вычислений A * STAR в Сингапуре обнаружили важные ключи к разработке более совершенных систем для смазки и защиты покрытий из DLC.
Перфторполиэфир (PFPE) представляет собой тефлоноподобный полимер, который обычно помещается между субстратами с DLC-покрытием для уменьшения трения и защиты от повреждений. Понять механизмы трения между этими ультратонкими пленками сложно; эти материалы имеют противоположные твердые и мягкие механические свойства, а расположение в виде сэндвича затрудняет прямое наблюдение за атомной структурой и активностью.
Чтобы лучше понять, как наноразмерная смазка работает в микроустройствах, исследователи построили атомный тройной слой DLC-PFPE-DLC, используя программу трехмерного компьютерного моделирования.
Они устанавливают одну пластину из DLC в качестве подложки, а другую – как «ползунок». Затем они использовали методы молекулярной динамики, чтобы смоделировать реакцию смазочной пленки при движении ползунка.
Однако было сложно описать атомные взаимодействия в этом сложном материале, и поэтому команда Дая разработала гибридные вычисления, которые объединили несколько выражений потенциальной энергии для воспроизведения многочастичных сил в этой системе.
Моделирование фрикционных движений с разной скоростью и толщиной пленки PFPE показало, что смазочная пленка ведет себя как твердое тело – полимер сохраняет свою форму без деформации от внутреннего сдвига. Однако смазочная пленка демонстрировала два различных и конкурирующих режима движения на границе раздела: действие «палка-скольжение», которое приводило к скачкообразным ступенчатым смещениям, и непрерывное движение, которое заставляло пленку скользить с колеблющимися скоростями. Анализ команды показал, что эти два типа движений включаются или выключаются в зависимости от факторов адгезии, таких как тепловые колебания и шероховатость поверхности раздела.
После картирования локальных сил трения вдоль поверхностей скольжения исследователи обнаружили способ связать закон, описывающий макроскопическое трение, с наномасштабом, используя простую математическую модификацию – открытие, имеющее практическое значение для инженерии поверхности покрытий DLC.
«Поскольку наша модель очень похожа на материалы, используемые в промышленных приложениях, эта работа может служить руководством для будущих экспериментальных разработок», – говорит Дай.