奈米層級的潤滑

 

在奈米層級上機械裝置常見的特色就是需要在其奈米尺寸的移動介面間的間隙的潤滑。例如在磁性裝置的運作上依賴著詞頭和記錄媒體間僅奈米尺寸的間隔,使得此介面產生流體剪力。而為了提高線性記錄密度以增大儲存容量,使得此間隔空間小於25奈米,故典型上使用非牛頓力流體的液態軸承介面以達成在高速下的低摩擦力,提高裝置壽命。例如現今的液態軸承硬碟即是如此。一般的液態潤滑為氟素潤滑 (perfluoropolyether),其穩定狀態的剪變率(shear rate)可高達10^8 1/s,其極致可高達兩倍大小,遠超過目前實驗特色所拿達到的應變率(strain rate)。相似的剪變率也在許多微機電系統(MEMS)中提升,例如微馬達(micromotor)

近年來,利用表面力測定機(surface force apparatus,SFA)對潤滑劑模型,包括烷屬烴的實驗,提供了在奈米潤滑上引人入勝的看法,並支持奈米層級的潤滑膜在黏性係數上是相同潤滑但為大量(bulk)狀況的好幾個級數高,並且奈米範圍的潤滑非牛頓流體,應變力超過(10^2∼10^5 1/s) 屬於牛頓流體中bulk狀況的潤滑劑。此為剪切稀薄效應(shear-thinning)。這使得在實現潤滑MEMS 裝置並考慮與其尺寸相關所造成的高功耗必須克服啟動摩擦和運作時的黏性阻力。(a)∼(c)圖所示為一謹慎的分子動力模擬在高應變率(10^8 1/s 或更高) 時對confinedbulk表現間的差異。

然而基本上在分子模擬和實驗上的應變率 (前者為10^8 1/s或更高,後者為10^5 1/s或更低 ) 存在著分離不一致。如此不一致可透過在未來大量平行化的超級電腦上,允許在較低的應變率和SFA實驗中延展至更高的應變率,使更高尺度的分子動力模擬進行更精確的計算去解決兩者間的連結。

 

bulk下的二十四烷

(a) bulk 下二十四烷 (n-tetracosane) 7 x 10^9 1/s 的剪變率的剪流密度是 0.82g·cm^ -3 溫度為 313K

僅顯示碳原子的軌跡擷取圖。每個分子以漸層顏色分隔表示。

 

二十四烷侷限

(b) 二十四烷侷限在由兩道束縛緊的丁烷鏈所構成的牆結構模擬的軌跡擷取圖,兩牆間距為 3.6 奈米,

相同的剪變率,核心液態密度和溫度與圖 (a) 相同,分子末端以黑色球示之。

 

魚肝油烯

(c) 魚肝油烯 (squalane) 在與 (b) 圖除溫度為 323K外,其他環境均相同下的模擬軌跡擷取圖,分子側支以灰色球示之。