1340
Історія одного відкриття
У моєму софоморському році, коли ми розповіли історію науки, пам'ятаю про студента, який забув увімкнути авторитет і зробив відкриття, або відомий вчений, який отримав яблуню на голові, і подумав, що це були казки, і в сучасному науці це не буває. В основному, якщо ви подивитеся на публікації в верхніх фізичних журналах, ви можете побачити, що вони є результатом довгої жорсткої копання в одному напрямку. Новоселов і Геїм навіть отримали Нобелівську не за відкриття, як таку, але для «планованого вивчення властивостей». Але, незважаючи на те, що відкриття сучасної науки відбувається, і я хочу поговорити про одного з них як співавтора.
З початку — невелика екскурсія в поле фізики та нанотехнології, кора, що займається — це мікро- та нано-тербрологія. Сама трібологія – наука дуже поважного віку, яка займається тертям і зносом. Здавалося б, що в цій області все давно відомо - заливають більше мастильних матеріалів, а не тертя. І тут немає багато, з наукової точки зору. Але при розвитку мікромініатюризації трибологія отримала трикратне вітру. Тому що методи макрокосми (виливаємо відро олії) на мікрорівневому рівні більше не працює - і не тому, що все просто висохне, можна додати масло краплі?
Проблема полягає в тому, що в міру зменшення розміру рухомих частин, внесок поверхні збільшується. І всі види поверхневих ефектів, які недбалі на макрорівні, починають переважати на мікрорівні. Зокрема, поверхневий натяг. Тому при зниженні компонентів, після певного ліміту, не можна використовувати мастило. І на сцені є сухий тертя. Наприклад, коефіцієнт сухого тертя кремнію (найширший матеріал для ММС) досягає 0,7. Тобто 70% потужності такого двигуна просто перетворять ротор. Ми повинні мати справу з ним. Поясним способом є застосування деякого роду твердого, нефрикційного покриття до компонентів. Оскільки мова йде про мікрокомпоненти, а товщина покриття повинна бути дуже невеликою - зазвичай ми говоримо про десятки нанометрів, але є ультратонкі покриття, товщиною 1-2 нм. В принципі є справедлива кількість покриттів, які можна використовувати для зменшення тертя і зносу — м'які метали, органічні саморозхідні молекули, графенові і алмазно-подібні плівки. Є багато матеріалів, але всі вони мають деякі недоліки, і ніхто ще не був придуманий.
З цього списку, алмазно-подібні покриття (DLC) є, мабуть, найвідомішими. Крім того, вони можуть бути однаково успішними як на мікро- та макрорівнях. Hyundai в даний час використовує DLC, щоб покрити поверхню клапанів в двигунах, встановлених на доданих моделях автомобілів. Призначений для використання DLC в NWMD для зміцнення посадкових поверхонь гідродинамічних підшипників. ДЛК можна знайти, в тому числі покриття на ріжучому краю гойдалки. У більшості випадків магніторозпилювач використовується для застосування DLC - метод добре відомий і перевірений. Але, як завжди, є нюанси. Найголовніше, що це дуже дорого. Існують також і чисто технічні проблеми, такі як високі рівні внутрішніх стресів, чутливість до вологості і т.д. Тому спроби зробити DLC дешевше і краще не зупинитися.
Ми розробляємо альтернативну технологію протягом декількох років - застосування алмазних плівок з іонним променем, який використовує не атом вуглецю як матеріал, але молекули C60. Fullerene іонізований, прискорений до 5 кВ і збиває на підкладку. У цьому випадку з сміття утворюються молекули, аморфна структура з цікавими властивостями. Детальніше можна знайти в цій статті. Цей метод має свої переваги, зокрема, наші фільми не боїться вологи, а використання іонного пучка дозволяє покрити об'єкти довільної форми, що є дещо складним у випадку магнітного обприскування. Недолік наших фільмів є досить високим рівнем власних стресів. Плівка, як правило, розширюється, займає більше обсягу, ніж вона має. Це призводить до неприємних наслідків - якщо застосувати таку плівку на тонкій підкладці - підкладка може зігнути. Якщо субстрат більш товстий, а зчеплення між плівкою і субстратом недостатньо, плівка буде просто відшаровуватися.
У нас була ідея розвести тверду масу DLC з чим м'яким компенсувати внутрішні стреси. І, так як фулерен був використаний як основний матеріал, його додано. Виявилося, що якщо паралельно з іонним променем молекулярний промінь надходить на субстрат, результат є нанокомпозитом, в якому молекули фулерена оточують твердим аморфним вуглецем. Як очікується рівень стресу в цьому фільмі значно менше. Ми не знайшли напруги. Звичайно, твердість плівки також знижується - якщо плівка, що наноситься з іонного пучка, характеризується значеннями 50-60 ГПа, то нанокомпозит показав 25-30 ГПа. Але це все ще досить багато - наприклад, твердість монокристалічного кремнію ~ 10 GPa. Яй, проблема вирішена. Ось, в процесі вимірювання твердості, прийшла відкриття, що я говорив про початок.
Але перед тим, як потрапити в точку, нам потрібно зробити інший з'їзд. Розмова про те, як вимірюється твердість фільмів. В принципі метод є тим самим - візьміть натерті алмазні піраміди, і притисніть в поверхню певними зусиллями. Чим м'якше матеріал, тим більш глибока піраміда буде відступати. Ми вимірюємо розмір друку - ми отримуємо твердість. Все це легко, коли потрібно виміряти твердість рейки. І стає складно, коли мова йде про фільми, які товщиною 100 нм. Для цього розроблено метод наноіндентації (глибинне зондування) Нижня лінія полягає в тому, що ми поступово збільшимо навантаження на піраміду (індентора) і при цьому фіксуємо глибину проникнення. Зазвичай використовується лінійне право завантаження і розвантаження. Ну, піраміда потребує особливого. У нашому випадку це тристороння піраміда діаметром кінчика 100 нм.
В результаті «контрольованого пронизу», наприклад, виходить м'який повнокутний фільм, отримана крива:
Ось X є глибиною проникнення відступника (на нанометрах), Y - сила, що застосовується до відступника. Червона стрілка показує напрямок навантаження, зелена стрілка показує розвантаження. Глибина проникнення залежить від твердості. Чим м'якше матеріал, тим більш глибокий відступник проникає під однаковим навантаженням. У цьому випадку пружність (модуль джунга) може бути обчислена кутом нахилу вигину навантаження. Вигини навантаження і розряду не збігаються в результаті пластичної деформації в точці контакту. Якщо ви вивчаєте відбитки пальців з анатомічним мікроскопом, ви отримуєте цю картину:
Ліворуч знаходиться вид зверху, праворуч - розділ по червоно-зелених лініях. Індентор – тристороння піраміда. У разі еластичних матеріалів, таких як гума, крива навантаження збігається з вивантаженням кривої, тому що в цьому випадку існує тільки еластична деформація, до певного ліміту, звичайно, і відбитк на поверхні не залишаться. Справа при вивантаженні криві буде лежати вище криві навантаження, в принципі неможливе.
Ну, один раз, така «імозлива» крива записувалася експериментально (рис. д):
Спочатку я просто думав, що це був своєрідний блиск в пристрої. І знову чекав. Відтворено. Я не був. Після чого я почав його розбирати. Як виявилося, це явище характерно для нанокомпозитів, що складаються з суміші молекул фулерена і твердого аморфного вуглецю. Залежно від швидкості, при якій здійснюється завантаження і розвантаження під час тесту, кривих змінює форму. Коли ми пресуємо швидко, ми отримуємо типову картину для жорсткої плівки (а). Ми можемо самі зателефонувати одержувачу. Очевидно, що при низькій швидкості проникнення в плівку є додаткова сила водіння, яка штовхає відступника назад. Але що?
Детальний аналіз показав, що у випадку відступу «абнормального» замість відбитків пальців утворюється пагорб кількох десятків нанометрів (а, б):
Детальний аналіз показав, що висота «холодів» залежить від співвідношення іонів і молекулярних балок в процесі виробництва.
Очевидно, що під навантаженням матеріал набрякає, що призводить до відступника, що виштовхується і утворення гір замість друку. Яка вартість? При іонно-молекулярних променях використовуються разом, молекули флерені полімеризовані. У звичайному стані вони з'єднуються слабкими з'єднаннями Van der Waals. Тим не менш, якщо ви добре помітите їх, значно сильніший ковалентний зв'язок утворюється між двома сусідніми молекулами. Ці два види облігацій, крім міцності, відрізняються по довжині. Ковалентний зв'язок коротший, а полімеризовані молекули запаковують більш щільно. При «пронизенні» полімерні комплекси в точці контакту деформуються, а облігації ковалентні. В результаті щільно упаковані молекули, як правило, відходять один від одного, що призводить до збільшення обсягу, заповнення друку і формування пагорба. Чому цей ефект тільки бачив при повільному відступі? Ми вважаємо, що випуск деполізованих молекул до поверхні є процесом дифузії, а при швидкому відступі вони просто не мають достатньо часу.
На додаток до «самостійкості» поверхня, такі нанокомпозитні плівки показують ще одну цікаве властивість – динамічна твердість. Плівка дуже важко в разі ударного навантаження, в той час як порівняно м'який і незрівняний в разі постійного або повільно зростаючого навантаження. Чому це необхідно – ми ще не приїжджаємо з думками, такими як «не кулясті жилети для нано-роботів» в повітрі. Будь-які ідеї?
Детальний опис можна знайти в цій статті. Це на sci-hub: http://pubs.acs.org.sci-hub.org/doi/abs/10.1021/nl500321г.
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
EnglishDeutschPусский简体中文中國傳統EspañolالعربيةFrançaisελληνικάDanskАнглійскаябългарски
Джерело: habrahabr.ru/post/222055/
З початку — невелика екскурсія в поле фізики та нанотехнології, кора, що займається — це мікро- та нано-тербрологія. Сама трібологія – наука дуже поважного віку, яка займається тертям і зносом. Здавалося б, що в цій області все давно відомо - заливають більше мастильних матеріалів, а не тертя. І тут немає багато, з наукової точки зору. Але при розвитку мікромініатюризації трибологія отримала трикратне вітру. Тому що методи макрокосми (виливаємо відро олії) на мікрорівневому рівні більше не працює - і не тому, що все просто висохне, можна додати масло краплі?
Проблема полягає в тому, що в міру зменшення розміру рухомих частин, внесок поверхні збільшується. І всі види поверхневих ефектів, які недбалі на макрорівні, починають переважати на мікрорівні. Зокрема, поверхневий натяг. Тому при зниженні компонентів, після певного ліміту, не можна використовувати мастило. І на сцені є сухий тертя. Наприклад, коефіцієнт сухого тертя кремнію (найширший матеріал для ММС) досягає 0,7. Тобто 70% потужності такого двигуна просто перетворять ротор. Ми повинні мати справу з ним. Поясним способом є застосування деякого роду твердого, нефрикційного покриття до компонентів. Оскільки мова йде про мікрокомпоненти, а товщина покриття повинна бути дуже невеликою - зазвичай ми говоримо про десятки нанометрів, але є ультратонкі покриття, товщиною 1-2 нм. В принципі є справедлива кількість покриттів, які можна використовувати для зменшення тертя і зносу — м'які метали, органічні саморозхідні молекули, графенові і алмазно-подібні плівки. Є багато матеріалів, але всі вони мають деякі недоліки, і ніхто ще не був придуманий.
З цього списку, алмазно-подібні покриття (DLC) є, мабуть, найвідомішими. Крім того, вони можуть бути однаково успішними як на мікро- та макрорівнях. Hyundai в даний час використовує DLC, щоб покрити поверхню клапанів в двигунах, встановлених на доданих моделях автомобілів. Призначений для використання DLC в NWMD для зміцнення посадкових поверхонь гідродинамічних підшипників. ДЛК можна знайти, в тому числі покриття на ріжучому краю гойдалки. У більшості випадків магніторозпилювач використовується для застосування DLC - метод добре відомий і перевірений. Але, як завжди, є нюанси. Найголовніше, що це дуже дорого. Існують також і чисто технічні проблеми, такі як високі рівні внутрішніх стресів, чутливість до вологості і т.д. Тому спроби зробити DLC дешевше і краще не зупинитися.
Ми розробляємо альтернативну технологію протягом декількох років - застосування алмазних плівок з іонним променем, який використовує не атом вуглецю як матеріал, але молекули C60. Fullerene іонізований, прискорений до 5 кВ і збиває на підкладку. У цьому випадку з сміття утворюються молекули, аморфна структура з цікавими властивостями. Детальніше можна знайти в цій статті. Цей метод має свої переваги, зокрема, наші фільми не боїться вологи, а використання іонного пучка дозволяє покрити об'єкти довільної форми, що є дещо складним у випадку магнітного обприскування. Недолік наших фільмів є досить високим рівнем власних стресів. Плівка, як правило, розширюється, займає більше обсягу, ніж вона має. Це призводить до неприємних наслідків - якщо застосувати таку плівку на тонкій підкладці - підкладка може зігнути. Якщо субстрат більш товстий, а зчеплення між плівкою і субстратом недостатньо, плівка буде просто відшаровуватися.
У нас була ідея розвести тверду масу DLC з чим м'яким компенсувати внутрішні стреси. І, так як фулерен був використаний як основний матеріал, його додано. Виявилося, що якщо паралельно з іонним променем молекулярний промінь надходить на субстрат, результат є нанокомпозитом, в якому молекули фулерена оточують твердим аморфним вуглецем. Як очікується рівень стресу в цьому фільмі значно менше. Ми не знайшли напруги. Звичайно, твердість плівки також знижується - якщо плівка, що наноситься з іонного пучка, характеризується значеннями 50-60 ГПа, то нанокомпозит показав 25-30 ГПа. Але це все ще досить багато - наприклад, твердість монокристалічного кремнію ~ 10 GPa. Яй, проблема вирішена. Ось, в процесі вимірювання твердості, прийшла відкриття, що я говорив про початок.
Але перед тим, як потрапити в точку, нам потрібно зробити інший з'їзд. Розмова про те, як вимірюється твердість фільмів. В принципі метод є тим самим - візьміть натерті алмазні піраміди, і притисніть в поверхню певними зусиллями. Чим м'якше матеріал, тим більш глибока піраміда буде відступати. Ми вимірюємо розмір друку - ми отримуємо твердість. Все це легко, коли потрібно виміряти твердість рейки. І стає складно, коли мова йде про фільми, які товщиною 100 нм. Для цього розроблено метод наноіндентації (глибинне зондування) Нижня лінія полягає в тому, що ми поступово збільшимо навантаження на піраміду (індентора) і при цьому фіксуємо глибину проникнення. Зазвичай використовується лінійне право завантаження і розвантаження. Ну, піраміда потребує особливого. У нашому випадку це тристороння піраміда діаметром кінчика 100 нм.
В результаті «контрольованого пронизу», наприклад, виходить м'який повнокутний фільм, отримана крива:
Ось X є глибиною проникнення відступника (на нанометрах), Y - сила, що застосовується до відступника. Червона стрілка показує напрямок навантаження, зелена стрілка показує розвантаження. Глибина проникнення залежить від твердості. Чим м'якше матеріал, тим більш глибокий відступник проникає під однаковим навантаженням. У цьому випадку пружність (модуль джунга) може бути обчислена кутом нахилу вигину навантаження. Вигини навантаження і розряду не збігаються в результаті пластичної деформації в точці контакту. Якщо ви вивчаєте відбитки пальців з анатомічним мікроскопом, ви отримуєте цю картину:
Ліворуч знаходиться вид зверху, праворуч - розділ по червоно-зелених лініях. Індентор – тристороння піраміда. У разі еластичних матеріалів, таких як гума, крива навантаження збігається з вивантаженням кривої, тому що в цьому випадку існує тільки еластична деформація, до певного ліміту, звичайно, і відбитк на поверхні не залишаться. Справа при вивантаженні криві буде лежати вище криві навантаження, в принципі неможливе.
Ну, один раз, така «імозлива» крива записувалася експериментально (рис. д):
Спочатку я просто думав, що це був своєрідний блиск в пристрої. І знову чекав. Відтворено. Я не був. Після чого я почав його розбирати. Як виявилося, це явище характерно для нанокомпозитів, що складаються з суміші молекул фулерена і твердого аморфного вуглецю. Залежно від швидкості, при якій здійснюється завантаження і розвантаження під час тесту, кривих змінює форму. Коли ми пресуємо швидко, ми отримуємо типову картину для жорсткої плівки (а). Ми можемо самі зателефонувати одержувачу. Очевидно, що при низькій швидкості проникнення в плівку є додаткова сила водіння, яка штовхає відступника назад. Але що?
Детальний аналіз показав, що у випадку відступу «абнормального» замість відбитків пальців утворюється пагорб кількох десятків нанометрів (а, б):
Детальний аналіз показав, що висота «холодів» залежить від співвідношення іонів і молекулярних балок в процесі виробництва.
Очевидно, що під навантаженням матеріал набрякає, що призводить до відступника, що виштовхується і утворення гір замість друку. Яка вартість? При іонно-молекулярних променях використовуються разом, молекули флерені полімеризовані. У звичайному стані вони з'єднуються слабкими з'єднаннями Van der Waals. Тим не менш, якщо ви добре помітите їх, значно сильніший ковалентний зв'язок утворюється між двома сусідніми молекулами. Ці два види облігацій, крім міцності, відрізняються по довжині. Ковалентний зв'язок коротший, а полімеризовані молекули запаковують більш щільно. При «пронизенні» полімерні комплекси в точці контакту деформуються, а облігації ковалентні. В результаті щільно упаковані молекули, як правило, відходять один від одного, що призводить до збільшення обсягу, заповнення друку і формування пагорба. Чому цей ефект тільки бачив при повільному відступі? Ми вважаємо, що випуск деполізованих молекул до поверхні є процесом дифузії, а при швидкому відступі вони просто не мають достатньо часу.
На додаток до «самостійкості» поверхня, такі нанокомпозитні плівки показують ще одну цікаве властивість – динамічна твердість. Плівка дуже важко в разі ударного навантаження, в той час як порівняно м'який і незрівняний в разі постійного або повільно зростаючого навантаження. Чому це необхідно – ми ще не приїжджаємо з думками, такими як «не кулясті жилети для нано-роботів» в повітрі. Будь-які ідеї?
Детальний опис можна знайти в цій статті. Це на sci-hub: http://pubs.acs.org.sci-hub.org/doi/abs/10.1021/nl500321г.
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
EnglishDeutschPусский简体中文中國傳統EspañolالعربيةFrançaisελληνικάDanskАнглійскаябългарски
Джерело: habrahabr.ru/post/222055/