מכל מלמדײ השכלתי (duchifat) wrote,
מכל מלמדײ השכלתי
duchifat

Categories:

scientific

Поскольку некоторые френды последнее время часто пишут тут про науку, то напишу и я о проектах, которыми занимаюсь. При этом постараюсь рассказать в доступном для школьного уровня изложении и не более 300 слов о каждом проекте. Заодно и сам для себя лучше сформулирую, чем я занимаюсь.

Итак, занимаюсь я последнее время наномеханикой и нанотрибологией. Трибология это наука о трении. «Нано», понятное дело, означает, что речь идет о объектах, размеры которых исчисляются нанометрами (т.е. меньше одного микрона, хотя согласно некоторым определениям к «нано» относятся только объекты меньше 0.1 микрона). Нанонауками многие сейчас занимаются потому что во-первых, ожидается, что следующий этап развития техники будет связан с нанотехнологией (т.е. производством очень маленьких устройств), примерно как с 1950х годов и до сих пор бурно развивалась микроэлектроника. Более конкретная причина в моей области состоит в том, что 10-15 лет назад появились и вошли в обиход атомно-силовые микроскопы, приборы, позволяюшие сканировать поверхности и измерять силу в масштабе вплоть до атомного разрешения. Благодаря этому стало возможно измерить многие вещи, о которых до того можно было только предполагать.

А теперь конкретнее о проектах, которыми я параллельно занимался последний год.

1) Стабильность мениска и капилярной силы при контакте шерховатых поверхностей. Все реальные поверхности являются шерховатыми, поскольку идеально гладких поверхностей нет (исключение представляют специально приготовленные атомно-гладкие поверхности, например, графита или слюды, но и они не вполне гладкие). При механическом контакте соприкасаются только выступы или «горы» на поверхностях, а «долины» не соприкасаются. Между соприкасающимися телами действуют силы притяжения или адгезии, например, ван-дер-Ваальса или химические связи. Но наибольшей обычно является капиллярная сила, которая существует потому что в местах контакта выступов конденсируется вода, если контакт происходит в воздухе при ненулевой относительной влажности (а нулевой влажности в воздухе не бывает). Мениск имеет размер всего нескольких нанометров и он устроен так, что давление в нем ниже атмосферного (почему – не очень просто объяснить, но это вытекает из физических принципов). В результате пониженного давления в мениске, на твердые тела, между которыми он находится, действует сила притяжения, равная площади основания мениска умноженной на разницу в давлении (т.н. капиллярная сила или сила Лапласа). Эта сила, просуммированная по многим менискам, и дает 80% силы адгезии (и ведет к трению), а для маленьких объектов все поверхностные являения (адгезия, трения и т.п.) очень важны и доминируют над объемными, поскольку отношение площади поверхности к объему очень большое. Я пытаюсь показаить, что мениск неустойчив и малейшее изменения шерховатости приводит к значительному изменению мениска и капилярной силы, а значит обычные методы расчета (который не рассматривают подобную неустойчивость) не годятся.

2). Отрицательное давление в мениске. Как было сказано выше, давление в мениске меньше атмосферного. Если попробовать измериить капиллярную силу при помощи атомного-силового микроскопа и прикинуть величину давления (примерно зная размер мениска), то оно неожиданным образом оказывается отрицательным и составляет порядка минус сотни атмосфер. Отрицательное давление легко представить в твердом теле, это просто напряжение растяжения. В жидкости (хотя это контр-интуитивно) тоже возможно отрицательное давление и жидкость имеет прочность на растяжение, поскольку молекулы жидкости притягиваются друг ко другу. В обычной ситуации мы этого не наблюдаем из-за кавитации, образования пузырьков в воде. Если вспомнить фазовую диаграму воды, то при таком низком давлении вода должна превратиться в пар. Но чтобы это произошло, нужна дополнительная энергия, чтобы образовать пузырьки радиусом больше некоторой критической величины. При макроскопических объемах воды такая энергия обычно находится, и происходит кавитация, потому отрицательное давление не наблюдается. А в нано-скопических объемах воды размер объема (например, диаметр мениска) меньше критического радиуса кавитации, потому мениск может быть в мета-устойчивом состоянии с отрицательным давлением. Это рассуждение основано на континуальном представлениее о материи, при котором вещество может быть или жидким, или газообразным (или твердым). На практике граница между жидкостьтю и паром имеет конечную толщину порядка нанометра, и наши мениски примерно той же толщины, поэтому это уже не жидкость в полном смысле слова. Благодаря конечной толщине границы между жидкостью и паром существует т.н. спинодальный предел давления, при отрицательном давлении ниже этого предела жидкость может превращаться в пар не путем образования пузырьков, а непрерывно. Мы показали, что экспериментально наблюдаемое давление в мениске, соответствующее его пределу прочнсти, близко к спинодальному, а значит мениск практически можно трактовать как жидкость. Всех интересует, что происходит на таких маленьких масштабах, когда вещество уже нельзя трактовать как непрерывное, но это еще не отдельные молекулы. Никто точно не знает, как далеко «вниз» работают классические континуальные уравнения физической химии (уравнения Юнга, Лапласа, Кельвина), и наша работа проливает свет на это. Мы вроде бы первые связали воедино эскперементальные данные атомно-силового микроскопа, идею отрицательном давления и метаустойчивости мениска из-за его маленького размера и идею предела применимости континуальных теорий при спинодальном приделе. Если я и мои коллеги будем чуть настырнее и расторопнее, то возможно нам удастся застолбить приоритет и связать это открытие с нашими именами, и тогда мы все найдем работу.

3). Лотус-эффект и гидрофобность, вызываемая шерховатостью. Для многих приложений, особенно в нанотехнологии, важно иметь несмачиваемые поверхности. У таких поверхностей очень высокий контактный угол с водой (почти 180 градусов) и капля воды катится по ним как шарик. Известно, что лист лотуса (и некоторых других растений) обладает супергидрофобностью (с контактным углом около 160 градусов). Это благодаря тому, что поверхность его шерховата. Можно создать искусственную поверхность покрытую микроскопическими столбиками, и капля будет катиться по вершинам столбиков не проваливаясь. Там возникает ряд интересных вопросов, например, при каких условиях капля стоит на столбиках, а когда проваливается. Почему лотус имеет иерархическую структуру (поверх микроскопичских выступов идут гораздо меньшие наноскопические выступы) и т.п. Я к изучению и моделированию этих вопросов тоже приложил руку. Мне наиболее интересна здесь связь с фундаментальными механизмами диссипации. Как получается, что адгезия, восходящая к консервативной электрической силе ван-дер-ваальса, приводит к диссипации энергии (например, к трению). Есть понятие адгезионного гистерезиса (энергия, выделяемая при соединении двух поверхностей всегда меньше работы, необходимой для их разделения) и связанное понятие гистерезиса контактного угла, которое определяет диссипацию при движении капли по поверхности. Любая неоднородность или неидеальность ведет к гистерезису, необратимости и диссипации. В в идеальном мире с идеальными поверхностями без загрязнения и шерховатости необратимых процессов ведущих к трению не было бы. Есть несколько интересных конкртных механизмов диссипации (эффект залипания контактной линии из-за шерховатости, эффект площади контакта и т.п.)

4). Иерархическаие механизмы диссипации и scale effect (эффекет масштабирования или подобия, не знаю, как по-русски). Сначала несколько слов о scale effectе. Многие механические свойства (например, твердость или коэффициент трения) на нано-масштабе отличаются от макроскопических. Свойства эти сложные, системные, и простого объяснения тут нет. Есть разные подходы к масштабированию. Некоторые говорят, что существуют scaling laws, законы подобия, связанные с геометрией (какие-то силы пропорцуиональны поверхности, какие-то объему, и можно просчитать как все это изменется при пропорциональном изменеии размера). Другой подход - scale effect, более общий, менее связанный с геометрий, например, на разных масштабах существенны разные механизмы трения. Третий подход – сказать, что есть отдельные законы нано-трения, они никак не связаны с эмпирическими открытыми 300 лет назад макроскопическими законами трения Кулона-Амонтона. Мне представляется, что ситуация даже еще более сложная. Есть много механизмов трения (адгезия, упругая и пластическая деформация, хрупкое распространение трещин, эффект «третьего тела» в виде частиц износа и загрязния, эффект подъема по наклонной поверхности выступа шерховатости и т.п.). Все они в первом приближении почему-то приводят к классическому линейному закону Кулона. Линейность математически имеет место, когда более сложную нелинейную функции разлагают по малому параметру. Во всех механизмах трения есть малый параметр, потому что трение обычно возникает из взаимодействия двух сил (или двух эффектов, имеющих разные масштабы). Например, локальная шерховатость создает локаьные энергетические барьеры, которые преодолеваются благодаря упругим деформациям в теле на гораздо большем масштабе расстояния. У тела есть основной объем и есть контактная поверхность. Силы действующий через поверхность малы по сравнению с объемными связями, отсюда и малый параметр. Это для примера. С другой стороны, трение во многих смыслах нелинейно (от формальной нелинейности закона Кулона, до стик-слип движения, до зависимости трения от скорости, размера, что и составляет scale effect, который тоже является манифистацией нелинейности). Нелинейность может вести к неустойчивости и к иерархии в физической системе. Фрикционыые системы имеют иерархию (молекула-поверхности-выступ-шерховатости-деталь-компонент и т.п.). Природные системы для низкого или высокого трения тоже иерархичны (тот же лист лотуса). Вот примерно с этих позиций интересно выделить соответствующие параметры и описать мехенизмы диссипации при трении как иерархическом явлении.

PS. Писано это было вчера в два часа ночи, потому вкрались орфографические, пунктуационные и стилистические ошибки, которые мне сейчас вычитывать лень.
Subscribe

  • (no subject)

    Решил соригинальничать, в разделе "благодарности" технической статьи, принятой в печать 21 числа 21 года 21 века, поставил благодарность Элегуа,…

  • (no subject)

    Надо же, такой старый, что попал в категорию "Исследователи прошлого века"! Про меня рассказывают студентам на семинарах. :)

  • (no subject)

    С интересом читаю книгу М. Р. Гинзбург и Е. Л. Яковлева "Эриксоновский гипноз. Систематический курс" (есть в сети). У меня создается впечатление, что…

  • Post a new comment

    Error

    Comments allowed for friends only

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 3 comments