НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Смазка в наноразмерных узлах трения

Характерной особенностью наноразмерных механических устройств является необходимость смазки поверхностей подвижных деталей, расстояние между

А б

Рис. 2.2. а — поведение объемного потока н-тетракозана при течении со сдвигом (скорость сдвига 7 • 109 с-1, плотность 0,82 г/см3, температура 313 К). Показаны толь­ко атомы углерода. Молекулы показаны различными оттенками серого цвета, б— по­ведение потока н-тетракозана, ограниченного с двух сторон стенками из связанных бутановых цепочек (расстояние между стенками 3,6 нм) при течении со сдвигом в тех же условиях (плотность в середине потока 0,82 г/см3). Концевые группы показаны черным цветом.

Которыми измеряется в нанометрах. Например, при работе магнитного запо­минающего устройства зазор между записывающей головкой и средой записи составляет несколько нанометров, в результате чего жидкость в этом зазоре подвергается сдвигу. Для достижения большей линейной плотности записи (и соответствующего повышения объема памяти устройства) желательно, чтобы этот зазор не превышал 25 нм, а для смазки поверхностей при высокой скоро­сти движения использовалась неньютоновская (аномально вязкая) жидкость.

Обычно в качестве жидкой смазки используются перфторполиэфиры, ско­рость сдвига которых в стационарном режиме достаточно высока и составляет около 108 с-1 (что примерно на два порядка величины выше скоростей, обычно используемых в современных экспериментальных методах). Такие же скоро­сти сдвига возникают при смазке других микроэлектромеханических систем (МЭМС), включая микродвигатели.

В последние годы эксперименты с приборами измерения поверхностных сил на модельных смазочных материалах (включая алканы) позволили выявить новые явления, связанные с механизмом смазки в нанозазорах. Было обнару­жено, что вязкость удерживаемых в нанозазорах пленок смазочных материалов на порядки величины превосходит вязкость тех же материалов в макроскопиче­ском объеме. Более того, наноразмерные потоки смазочных материалов явля­ются неньютоновскими (обладают пониженной вязкостью при высокой скоро­сти сдвига) в гораздо более широком диапазоне скорости сдвига (102—105 с-1), чем в объемной фазе. В связи с этим даже возникал вопрос о принципиальной невозможности осуществления смазки в указанных МЭМС-устройствах, так как для преодоления трения при запуске и работе могло бы требоваться много энергии (по отношению к объему устройства). Тщательное моделирование ме­тодами молекулярной динамики показало, однако, что при высоких скоростях сдвига (108 с-1 и выше) разница в поведении наноразмерных и объемных пото­ков незначительна (рис. 2.2 и 2.3).

Рис. 2.3. Поведение потока сквалана, ограниченного с двух сторон стенками из свя­занных бутановых цепочек (расстояние между стенками 3,6 нм) при течении со сдви­гом в тех же условиях (плотность в середине потока 0,82 г/см3, температура 323 К). Боковые группы показаны серым цветом.

Отметим, что между скоростями деформации, доступными для молеку­лярного моделирования (108 с-1 и выше) и для экспериментальных измере­ний (105 с-1 и ниже), сохраняется существенный разрыв, который может быть преодолен либо путем использования более мощных вычислительных средств при моделировании динамики (позволяющих проводить точные рас­четы при более низких скоростях деформации), либо с помощью проведения экспериментов с большими скоростями деформации. Характерно, что анало­гичная проблема существует и при моделировании поведения аморфных по­лимеров при стекловании.