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La historia de una abertura
En el segundo año en la universidad, cuando nos dijeron que "la historia de la ciencia," Recuerdo haber oído acerca de un estudiante que se olvidó de apagar la olla y hacer un descubrimiento, o un famoso científico que ha recibido una manzana en la cabeza, y pensé que era un cuento de hadas, y en la moderna ciencia esto no sucede. Básicamente, si nos fijamos en las publicaciones en revistas de física superior, está claro que todos ellos - el resultado de un largo y duro cavando en una dirección. Novoselov con juego aún no tiene nobelevku para el descubrimiento, como tal, pero para el "estudio sistemático de las propiedades." Pero, sin embargo, la abertura de la ciencia moderna aún sucede, y quiero decirle a usted acerca de una de ellas es su co-autor.
Desde el principio - una pequeña incursión en el campo de la física y la nanotecnología, la corteza que hago - esta es la micro y nano-tribología. Por sí misma, la tribología - la ciencia de edad muy avanzada, que se dedica a la fricción y el desgaste. Parece que ya es conocido en esta área - vierte más lubricante, y sin fricción. Y estudiar aquí, desde un punto de vista científico, nada especial. Pero con el desarrollo de la miniaturización, la tribología ha recibido un triple aliento. Debido a que los métodos de la macrocosmos (verter un cubo de aceite) en el nivel micro no funcionan - y no porque todo sólo se ahogan, puede también mantequilla y se añaden gota a gota?
El problema es que la reducción del tamaño de las piezas móviles, la contribución de la superficie. Y todo tipo de efectos de superficie, que son insignificantes a nivel macro, a nivel micro, comienzan a dominar. En particular, la tensión superficial. Por lo tanto, mientras que la reducción de los componentes después de un cierto límite, es imposible utilizar un lubricante. Y en el escenario aparece la fricción seca. Por ejemplo, el coeficiente de fricción en seco de silicio sobre silicio (el material más común para MEMS) alcanza 0,7. Es decir, 70% de la capacidad del motor se pondrán a la justo lo hiciera de rotor. Debe tratar de alguna manera con él. La forma más obvia - para poner en algunos componentes de fuerte em> cubierta con baja fricción. Dado que este es un micro-componentes, y el espesor del revestimiento debe ser muy pequeña - generalmente hablando de decenas de nanómetros, pero también hay recubrimiento ultra-delgada con un espesor de 1-2 nm. En principio, hay un buen número de recubrimientos que pueden ser usados para reducir la fricción y el desgaste - metales blandos, moléculas orgánicas giratorias grafeno y el diamante película. Muchos de los materiales, pero todos ellos tienen ciertas desventajas, y cualquier universal, aún no inventados.
De esta lista, tal vez, es el más conocido de la película de diamante (Diamond revestimientos similares, DLC). Sobre todo porque pueden ser utilizadas igualmente como micro y macro-nivel. Así, Hyundai está utilizando actualmente los motores de válvulas superficie de recubrimiento DLC equipados en los mejores modelos de coches. Haga planes para usar el DLC en el disco duro para reforzar los cojinetes hidrodinámicos superficie de aterrizaje. Usted puede encontrar cientos de otros usos DLC en la vida real, incluyendo el revestimiento en el filo de la cuchilla de afeitar. En la mayoría de los casos, el DLC recubrimiento utilizando bombardeo iónico por magnetrón - un método bien conocido y los gases de escape. Pero, como siempre, hay matices. El más importante - Todo esto es muy caro. Hay problemas puramente técnicos, como los altos niveles de tensión interna, la sensibilidad a la humedad, etc. Por lo tanto, los intentos de hacer que el DLC más barato y mejor aún, no se detienen.
Junto con colegas de mi alma mater, que han estado desarrollando desde hace varios años se puede decir una tecnología alternativa - aplicación de películas de diamante por haz de iones, que se utiliza como el material no es de carbono atómico, y las moléculas de fullereno C 60 sub>. Fullereno es ionizado, acelerado a 5 keV y revuelve sobre el sustrato. En este caso las moléculas se rompen y se forman a partir de los escombros de la estructura amorfa con propiedades interesantes. Los detalles se pueden encontrar en este artículo . Este método tiene sus ventajas, en particular, nuestras películas no tienen miedo de la humedad y de la utilización de haces de iones permite a los objetos de la capa de forma arbitraria que es un poco difícil en el caso de pulverización catódica magnetrón. La desventaja de nuestras películas - un muy alto nivel de tensiones residuales. La película tiende a expandirse hasta ocupar un volumen mayor de lo que tiene. Esto conduce a consecuencias desagradables - si pones una película delgada sobre un sustrato - sustrato se puede doblar. Si el sustrato es más grueso, y la adhesión entre la película y el sustrato no es lo suficientemente bueno -. La película sólo a exfoliar
Teníamos la idea de diluir el DLC masa sólida con algo suave que compensar las tensiones internas. Y puesto que, como material de base utilizado, fullereno, y se añadió. Se encontró que si en paralelo con el haz de iones sobre el sustrato para dirigir haz molecular, el resultado es un nano-compuesto en el que las moléculas de fullereno están rodeados de un sólido de carbono amorfo. Como era de esperar, el nivel de estrés en esta película fue significativamente menor. En términos generales, no hemos encontrado ningún tipo de estrés. Por supuesto, la dureza de la película también se redujo - si la película depositada a partir de los valores característicos haz de iones de 50-60 GPa, el nano-compuesto mostró 25-30 GPa. Pero todavía es mucho - por ejemplo, la dureza de un solo cristal de silicio ~ 10 GPa. Ur problema está resuelto. Aquí, en el proceso de medición de la dureza, y el descubrimiento se arrastró, que he mencionado al principio.
Pero antes de llegar al punto, es necesario hacer otro retiro. Cuéntanos sobre cómo medir la dureza de las películas. En principio, el método es el mismo - tomar una pirámide de diamante tarado, y se presiona en la superficie con una cierta fuerza. El más suave que el material, la pirámide de ir más profundo. Mido el tamaño de la impresión - obtener dureza. Todo esto es fácil cuando usted tiene que tratar de la dureza del carril. Y se hace difícil, cuando se trata de películas con un espesor de 100 nm. Para ello, hemos desarrollado un método наноиндентирования (Nanoindentación, profundidad de indentación de detección). La conclusión es que aumentamos gradualmente la carga sobre la pirámide (el penetrador) y arreglamos simultáneamente la profundidad de la penetración. Comúnmente se utiliza la ley lineal de carga y descarga. Bueno necesitará una pirámide especial. En nuestro caso, esta pirámide triangular con un diámetro de la punta de 100 nm.
Como resultado de "perforación controlada", por ejemplo, películas de fullereno suaves obtenido es una curva de este tipo:
Aquí el eje X - es la profundidad de penetración del penetrador (en nanómetros), Y - fuerza aplicada al penetrador. La flecha roja indica la dirección de la carga, el verde - descarga. La profundidad de penetración depende de la dureza. El más blando es el material, el indentador penetra más profundamente con la misma carga. Así, la elasticidad (módulo de Young) se puede calcular a partir de la pendiente de la curva de carga. Curvas de carga y descarga no coinciden como resultado de la deformación plástica en el punto de contacto. Si usted explora la huella usando el microscopio de fuerza atómica, recibirá esta imagen siguiente:
Izquierda - vista desde arriba, a la derecha - la sección a lo largo de las líneas rojas y verdes. Se ve claramente que el penetrador - todavía pirámide triangular :). En el caso de materiales elásticos como el caucho, la curva de carga coincidirá con la curva de descarga, porque en este caso sólo hay deformación elástica hasta un cierto límite, por supuesto, bien de huellas digitales en la superficie no lo hará. El caso en que la curva de descarga se sitúe más alta que la curva de carga, en principio, no es posible.
Bueno, un día, este "imposible" y la curva se registró experimentalmente (Figura d):
Al principio pensé que era algún tipo de problema técnico en el instrumento. A continuación, comprobar de nuevo. Reproducido. No lo creas. Entonces empezó a entender. Al final resultó que, este fenómeno es característico de nanocompuestos que consisten en una mezcla de moléculas de fullereno y carbono amorfo sólido. Dependiendo de la velocidad con la que se realiza la carga y descarga durante una prueba, la curva cambia de forma. Cuando empujamos rápido - conseguir el patrón típico de una película sólida (a). Davim lento - conseguir "lo que no puede ser". Obviamente, a baja velocidad de perforación en la película hay una cierta fuerza impulsora adicional que empuja hacia atrás el penetrador. Pero, ¿qué?
El análisis detallado muestra que en el caso de "anómala" indentación en lugar de indentación formada altura colina de varias decenas de nanómetros (a, b):
El análisis detallado mostró que la altura de las "colinas" depende de la relación de los haces iónicos y moleculares durante la fabricación ©.
Es obvio que bajo carga el material se hinche, lo que conduce a la expulsión del penetrador y que forman colinas en vez grabados. Así que a costa de qué? Con el ion combinado y polimerización de haces moleculares se produce moléculas de fullereno. En el estado normal están vinculados por las fuerzas débiles de Van der Waals. Sin embargo, si son adecuadamente "patada" que entre dos moléculas vecinas forman un enlace covalente mucho más fuertes. Estos dos tipos de comunicación además de la fuerza difieren en longitud. El enlace covalente es más corto y moléculas polimerizadas se embalan más densamente. En los "pinchazos" complejos de polímero en el sitio de contacto se deforman y romper los enlaces covalentes. Como resultado de moléculas estrechamente empaquetados tienden a alejarse el uno del otro, lo que conduce a un aumento en el volumen y el llenado de la formación de una colina indentación. ¿Por qué se observa este efecto sólo a baja sangría? Creemos que el rendimiento despolimeriza moléculas a la superficie - un proceso de difusión, y con un rápido sangrado de ellos simplemente no tenemos tiempo.
Además de "auto-curación" de la superficie, tales películas nano-compuesto muestran otra característica interesante - dureza dinámica. La película es muy fuerte en el caso de choque, con relativamente suave y flexible en el caso de carga constante o aumentar lentamente. ¿Por qué lo hace - no hemos descubierto aún en los pensamientos de acometidas de aire como "nano-chalecos para nano-robots". ¿Alguna idea?
Una descripción más detallada se puede encontrar en este artículo (Esp.). Ella está en la ciencia-centro: http://pubs.acs.org.sci-hub.org/doi/abs/10.1021/nl500321g.
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Texto preparado en editor de blog de © SoftCoder.ru h6>
Desde el principio - una pequeña incursión en el campo de la física y la nanotecnología, la corteza que hago - esta es la micro y nano-tribología. Por sí misma, la tribología - la ciencia de edad muy avanzada, que se dedica a la fricción y el desgaste. Parece que ya es conocido en esta área - vierte más lubricante, y sin fricción. Y estudiar aquí, desde un punto de vista científico, nada especial. Pero con el desarrollo de la miniaturización, la tribología ha recibido un triple aliento. Debido a que los métodos de la macrocosmos (verter un cubo de aceite) en el nivel micro no funcionan - y no porque todo sólo se ahogan, puede también mantequilla y se añaden gota a gota?
El problema es que la reducción del tamaño de las piezas móviles, la contribución de la superficie. Y todo tipo de efectos de superficie, que son insignificantes a nivel macro, a nivel micro, comienzan a dominar. En particular, la tensión superficial. Por lo tanto, mientras que la reducción de los componentes después de un cierto límite, es imposible utilizar un lubricante. Y en el escenario aparece la fricción seca. Por ejemplo, el coeficiente de fricción en seco de silicio sobre silicio (el material más común para MEMS) alcanza 0,7. Es decir, 70% de la capacidad del motor se pondrán a la justo lo hiciera de rotor. Debe tratar de alguna manera con él. La forma más obvia - para poner en algunos componentes de fuerte em> cubierta con baja fricción. Dado que este es un micro-componentes, y el espesor del revestimiento debe ser muy pequeña - generalmente hablando de decenas de nanómetros, pero también hay recubrimiento ultra-delgada con un espesor de 1-2 nm. En principio, hay un buen número de recubrimientos que pueden ser usados para reducir la fricción y el desgaste - metales blandos, moléculas orgánicas giratorias grafeno y el diamante película. Muchos de los materiales, pero todos ellos tienen ciertas desventajas, y cualquier universal, aún no inventados.
De esta lista, tal vez, es el más conocido de la película de diamante (Diamond revestimientos similares, DLC). Sobre todo porque pueden ser utilizadas igualmente como micro y macro-nivel. Así, Hyundai está utilizando actualmente los motores de válvulas superficie de recubrimiento DLC equipados en los mejores modelos de coches. Haga planes para usar el DLC en el disco duro para reforzar los cojinetes hidrodinámicos superficie de aterrizaje. Usted puede encontrar cientos de otros usos DLC en la vida real, incluyendo el revestimiento en el filo de la cuchilla de afeitar. En la mayoría de los casos, el DLC recubrimiento utilizando bombardeo iónico por magnetrón - un método bien conocido y los gases de escape. Pero, como siempre, hay matices. El más importante - Todo esto es muy caro. Hay problemas puramente técnicos, como los altos niveles de tensión interna, la sensibilidad a la humedad, etc. Por lo tanto, los intentos de hacer que el DLC más barato y mejor aún, no se detienen.
Junto con colegas de mi alma mater, que han estado desarrollando desde hace varios años se puede decir una tecnología alternativa - aplicación de películas de diamante por haz de iones, que se utiliza como el material no es de carbono atómico, y las moléculas de fullereno C 60 sub>. Fullereno es ionizado, acelerado a 5 keV y revuelve sobre el sustrato. En este caso las moléculas se rompen y se forman a partir de los escombros de la estructura amorfa con propiedades interesantes. Los detalles se pueden encontrar en este artículo . Este método tiene sus ventajas, en particular, nuestras películas no tienen miedo de la humedad y de la utilización de haces de iones permite a los objetos de la capa de forma arbitraria que es un poco difícil en el caso de pulverización catódica magnetrón. La desventaja de nuestras películas - un muy alto nivel de tensiones residuales. La película tiende a expandirse hasta ocupar un volumen mayor de lo que tiene. Esto conduce a consecuencias desagradables - si pones una película delgada sobre un sustrato - sustrato se puede doblar. Si el sustrato es más grueso, y la adhesión entre la película y el sustrato no es lo suficientemente bueno -. La película sólo a exfoliar
Teníamos la idea de diluir el DLC masa sólida con algo suave que compensar las tensiones internas. Y puesto que, como material de base utilizado, fullereno, y se añadió. Se encontró que si en paralelo con el haz de iones sobre el sustrato para dirigir haz molecular, el resultado es un nano-compuesto en el que las moléculas de fullereno están rodeados de un sólido de carbono amorfo. Como era de esperar, el nivel de estrés en esta película fue significativamente menor. En términos generales, no hemos encontrado ningún tipo de estrés. Por supuesto, la dureza de la película también se redujo - si la película depositada a partir de los valores característicos haz de iones de 50-60 GPa, el nano-compuesto mostró 25-30 GPa. Pero todavía es mucho - por ejemplo, la dureza de un solo cristal de silicio ~ 10 GPa. Ur problema está resuelto. Aquí, en el proceso de medición de la dureza, y el descubrimiento se arrastró, que he mencionado al principio.
Pero antes de llegar al punto, es necesario hacer otro retiro. Cuéntanos sobre cómo medir la dureza de las películas. En principio, el método es el mismo - tomar una pirámide de diamante tarado, y se presiona en la superficie con una cierta fuerza. El más suave que el material, la pirámide de ir más profundo. Mido el tamaño de la impresión - obtener dureza. Todo esto es fácil cuando usted tiene que tratar de la dureza del carril. Y se hace difícil, cuando se trata de películas con un espesor de 100 nm. Para ello, hemos desarrollado un método наноиндентирования (Nanoindentación, profundidad de indentación de detección). La conclusión es que aumentamos gradualmente la carga sobre la pirámide (el penetrador) y arreglamos simultáneamente la profundidad de la penetración. Comúnmente se utiliza la ley lineal de carga y descarga. Bueno necesitará una pirámide especial. En nuestro caso, esta pirámide triangular con un diámetro de la punta de 100 nm.
Como resultado de "perforación controlada", por ejemplo, películas de fullereno suaves obtenido es una curva de este tipo:
Aquí el eje X - es la profundidad de penetración del penetrador (en nanómetros), Y - fuerza aplicada al penetrador. La flecha roja indica la dirección de la carga, el verde - descarga. La profundidad de penetración depende de la dureza. El más blando es el material, el indentador penetra más profundamente con la misma carga. Así, la elasticidad (módulo de Young) se puede calcular a partir de la pendiente de la curva de carga. Curvas de carga y descarga no coinciden como resultado de la deformación plástica en el punto de contacto. Si usted explora la huella usando el microscopio de fuerza atómica, recibirá esta imagen siguiente:
Izquierda - vista desde arriba, a la derecha - la sección a lo largo de las líneas rojas y verdes. Se ve claramente que el penetrador - todavía pirámide triangular :). En el caso de materiales elásticos como el caucho, la curva de carga coincidirá con la curva de descarga, porque en este caso sólo hay deformación elástica hasta un cierto límite, por supuesto, bien de huellas digitales en la superficie no lo hará. El caso en que la curva de descarga se sitúe más alta que la curva de carga, en principio, no es posible.
Bueno, un día, este "imposible" y la curva se registró experimentalmente (Figura d):
Al principio pensé que era algún tipo de problema técnico en el instrumento. A continuación, comprobar de nuevo. Reproducido. No lo creas. Entonces empezó a entender. Al final resultó que, este fenómeno es característico de nanocompuestos que consisten en una mezcla de moléculas de fullereno y carbono amorfo sólido. Dependiendo de la velocidad con la que se realiza la carga y descarga durante una prueba, la curva cambia de forma. Cuando empujamos rápido - conseguir el patrón típico de una película sólida (a). Davim lento - conseguir "lo que no puede ser". Obviamente, a baja velocidad de perforación en la película hay una cierta fuerza impulsora adicional que empuja hacia atrás el penetrador. Pero, ¿qué?
El análisis detallado muestra que en el caso de "anómala" indentación en lugar de indentación formada altura colina de varias decenas de nanómetros (a, b):
El análisis detallado mostró que la altura de las "colinas" depende de la relación de los haces iónicos y moleculares durante la fabricación ©.
Es obvio que bajo carga el material se hinche, lo que conduce a la expulsión del penetrador y que forman colinas en vez grabados. Así que a costa de qué? Con el ion combinado y polimerización de haces moleculares se produce moléculas de fullereno. En el estado normal están vinculados por las fuerzas débiles de Van der Waals. Sin embargo, si son adecuadamente "patada" que entre dos moléculas vecinas forman un enlace covalente mucho más fuertes. Estos dos tipos de comunicación además de la fuerza difieren en longitud. El enlace covalente es más corto y moléculas polimerizadas se embalan más densamente. En los "pinchazos" complejos de polímero en el sitio de contacto se deforman y romper los enlaces covalentes. Como resultado de moléculas estrechamente empaquetados tienden a alejarse el uno del otro, lo que conduce a un aumento en el volumen y el llenado de la formación de una colina indentación. ¿Por qué se observa este efecto sólo a baja sangría? Creemos que el rendimiento despolimeriza moléculas a la superficie - un proceso de difusión, y con un rápido sangrado de ellos simplemente no tenemos tiempo.
Además de "auto-curación" de la superficie, tales películas nano-compuesto muestran otra característica interesante - dureza dinámica. La película es muy fuerte en el caso de choque, con relativamente suave y flexible en el caso de carga constante o aumentar lentamente. ¿Por qué lo hace - no hemos descubierto aún en los pensamientos de acometidas de aire como "nano-chalecos para nano-robots". ¿Alguna idea?
Una descripción más detallada se puede encontrar en este artículo (Esp.). Ella está en la ciencia-centro: http://pubs.acs.org.sci-hub.org/doi/abs/10.1021/nl500321g.
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Texto preparado en editor de blog de © SoftCoder.ru h6>
Fuente: habrahabr.ru/post/222055/
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