Discovery poskytuje samoléčivý diamantový uhlík

5 Planets That Shouldn't Exist (Červen 2019).

Anonim

Fanoušci Supermanu si jistě připomínají, jak muž z oceli používal nesmírné teplo a tlak, které generovaly holé ruce, aby vytvořily diamant z kusu uhlí.

Tribologové - vědci, kteří studují tření, opotřebení a mazání - a vědci v oblasti výpočetních materiálů na Argonne National Laboratory americké ministerstva energetiky (DOE) se pravděpodobně nikdy nebudou mýlit s superhrdiny. Nicméně, nedávno použili stejné principy a objevili revoluční diamantový film, který je vytvořen teplem a tlakem automobilového motoru.

Objev tohoto ultra-trvanlivého, samomazného tribofilmu - filmu, který se tvoří mezi pohyblivými povrchy - byl poprvé ohlášen v časopise Nature. Mohlo by to mít hluboké důsledky pro efektivitu a trvanlivost budoucích motorů a dalších pohyblivých kovových částí, které mohou být vyrobeny pro vývoj samoléčebných tribofilmů s diamantovým povrchem (DLC).

"Jedná se o velmi unikátní objev, který byl trochu neočekávaný, " řekl Ali Erdemir, který je vedoucím týmu Argonne. "Vyvinuli jsme mnoho druhů vlastních povlaků s karbonovými vlastnostmi, ale nikdy jsme nenalezli takové, které by vznikly tím, že by rozbíjely molekuly mazacího oleje a mohly skutečně regenerovat tribofilm, jak se opotřebovává."

Tento fenomén byl poprvé objeven před několika lety Erdemirem a jeho kolegou Osmanem Leventem Eryilmazem v oddělení tribologie a termální mechaniky v centru Argonne pro výzkum dopravy. Získal však teoretický náhled zesílený rozsáhlými výpočetními prostředky dostupnými v Argonne, aby plně pochopili, co se v experimentu děje na molekulární úrovni. Teoretické porozumění poskytl vedoucí teoretický výzkumník Subramanian Sankaranarayanan a postdoktorský badatel Badri Narayanan z Centra pro materiály nanoskopu (CNM), zatímco výpočetní výkon poskytl Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) a National Scientific Research Scientific Computing Center NERSC) v laboratoři Lawrence Berkeley National Laboratory. CNM, ALCF a NERSC jsou všichni uživatelé zařízení DOE Office of Science.

Původní objev se objevil, když se Erdemir a Eryilmaz rozhodli zjistit, co se stane, když se malý ocelový kroužek potáhne katalyticky aktivním nanokončením - malé molekuly kovů, které podporují chemické reakce, aby rozbíjely jiné materiály - pak se podrobily vysokému tlaku a teplu pomocí základový olej bez komplexních aditiv moderních maziv. Když se po zkoušce vytrvalosti podívali na kroužek, neviděli očekávanou korozi a poškození povrchu, ale neporušený prstenec se zvláštním černou zátěží na kontaktní ploše.

"Tento test vytváří extrémní kontaktní tlak a teploty, které mají způsobit opotřebení kroužku a nakonec zabrání, " řekl Eryilmaz. "Ale tento prsten nebyl výrazně opotřebovaný a tento černý vklad byl viditelný." Řekli jsme: "Tento materiál je zvláštní, možná to je to, co způsobuje tento neobvyklý efekt." "

Podíváme-li se na vklad pomocí vysoce výkonných optických a laserových Ramanových mikroskopů, experti si uvědomili, že ložisko je tribofilm diamantového uhlíku, podobně jako u některých dalších DLC vyvinutých v minulosti v Argonne. Ale to fungovalo ještě lépe. Testy ukázaly, že tribofilm DLC snižuje tření o 25 až 40 procent a že opotřebení se snížilo na nezměřitelné hodnoty.

Další experimenty vedené postdoktorským výzkumným pracovníkem Giovannim Ramirezem ukázaly, že vícenásobné typy katalytických povlaků mohou poskytnout tribofilmy DLC. Experimenty ukázaly, že povlaky interagují s molekulami oleje, aby vytvořily film DLC, který přilne k kovovým povrchům. Když je tribofilm opotřebovaný, katalyzátor v povlaku je znovu vystaven oleji, což způsobí, že katalýza znovu nastartuje a vytvoří nové vrstvy tribofilmu. Proces je samoregulační a udržuje fólii v konzistentní tloušťce. Vědci si uvědomili, že film se spontánně rozvíjí mezi posuvnými plochami a doplňoval se, ale potřebovali pochopit proč a jak.

Aby poskytli teoretické poznatky o tom, co tribologický tým viděl ve svých experimentech, obrátili se na Sankaranarayanan a Narayanan, kteří využili obrovskou výpočetní sílu superpočítače ALCF 10-petaflop Mira. Provedli rozsáhlé simulace, aby pochopili, co se děje na úrovni atomů, a zjistilo, že katalyzátory v nanokompozitních povlacích odstraňují vodíkové atomy z uhlovodíkových řetězců mazacího oleje a potom rozdělují řetězy na menší segmenty. Menší řetězy se spojují pod tlakem a vytvářejí vysoce trvanlivý tribofilm DLC.

"Jedná se o příklad katalýzy v extrémních podmínkách vytvořených třením. Otevírá nové pole, v němž spojíte katalýzu a tribologii, což ještě nikdy nebylo provedeno, " řekl Sankaranarayanan. "Toto nové pole tribokatalýzy má potenciál změnit způsob, jakým se díváme na mazání."

Teoretici zkoumali původ katalytické aktivity, aby pochopili, jak katalýza funguje za extrémního tepla a tlaku v motoru. Tímto porozuměním dokázali předpovědět, které katalyzátory by fungovaly a které by vytvořily nejvýhodnější tribofilmy.

"Zajímavé je, že jsme našli několik kovů nebo kompozitů, které bychom si nemysleli, že by byly katalyticky aktivní, ale za těchto okolností to fungovalo celkem dobře, " řekl Narayanan. "Tím se otevírají nové cesty pro vědce, kteří používají extrémní podmínky pro zvýšení katalytické aktivity."

Dopady nového tribofilmu na účinnost a spolehlivost motorů jsou obrovské. Výrobci již používají mnoho různých typů povlaků - některé vyvinuté u společnosti Argonne - pro kovové součásti v motorech a jiných aplikacích. Problémem je, že povlaky jsou drahé a obtížně aplikovatelné, a jakmile se používají, vydrží až do doby, než povlaky proběhnou. Nový katalyzátor umožňuje průběžně obnovovat tribofilm během provozu.

Navíc, protože tribofilm se vyvíjí v přítomnosti základního oleje, může výrobcům umožnit snížit nebo případně odstranit některé z moderních antifrikčních látek a přísad proti opotřebení v oleji. Tyto přísady mohou snížit účinnost vozidlových katalyzátorů a mohou být škodlivé pro životní prostředí z důvodu jejich obsahu těžkých kovů.

menu
menu