Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота

Abstract

Вступ. Встановлення закономірностей взаємодії мікроконтактів в інтерфейсі тертя, утвореного двома рухомими тілами, є важливим кроком для створення нових класів матеріалів з визначеними фізико-хімічними властивостями. При відносному русі взаємодіючих поверхонь неминуче відбувається зношування їх контактуючих ділянок (мікроконтактів), в результаті чого в iнтерфейсi тертя виникають уламки, спричиненi руйнуванням бiльш еластичного матерiалу. Проблематика. Ступінь руйнування інтерфейсу суттєво зменшується при додаванні мастильних плівок в місці контакту. Якщо за умов сухого тертя (без мастила) аналіз місця контакту є практично вирішеною задачею (модель контактної взаємодії Герца, Джонсона-Кендала-Робертса), то при наявності мастила ця задача істотно ускладнюється через необхідність врахування фактору реологічної складової тертя та фактору інтерфейсної взаємодії. Окрім того, переважну більшість трибологічних досліджень виконано на недосконалих (шорстких) поверхнях з використанням мастильних плівок з невизначеними компонентним складом, товщиною і структурою. Мета. Встановлення впливу структури самовпорядкування моношарових плівок на їх трибологічні властивості в інтерфейсі тертя n-алкан/атомно-гладка поверхня. Матеріали й методи. Використано атомно-гладкі поверхні золота та однокомпонентні змащувальні моношаро ві плівки n-алканів (CnH2n+2, n = 14, 16, 48, 50, 60). Для встановлення структури самовпорядкування плівок на поверхні золота і контролю ступеню їх руйнування до і після трибологічних вимірювань застосовано сканувальну тунельну мікроскопію. Кiнетичний коефiцiєнт тертя μko інтерфейсів виміряно за допомогою магнітного левітаційного три бометра. Результати. Експериментально встановлено немонотонну залежнiсть коефiцiєнта тертя μko вiд довжини молекул змащувальних плівок. Висновки. Встановлено, що для n-алканів з «магічною довжиною» (n кратне 16) μko аномально зменшується.

Introduction. The establishment of regularities of the microcontact interaction in the friction interface formed by two moving bodies is an important step towards the creation of new classes of materials with predefined physicochemical properties. The relative motion of interacting surfaces inevitably results in wearing contact areas (microcontacts) of these surfaces, that is, it leads to the formation of pieces that are caused by destruction of more elastic material. Problem Statement. The destruction of the interface decreases significantly by applying lubricant films to the contact area. In the case of dry friction (no lubricant), the description of the contact area is a practically solved problem (the Hertz and the Johnson-Kendal-Roberts contact theories), while the presence of lubricant complicates it, i.e., one should consider the rheological component of friction and the interaction of interfaces. In addition, the overwhelming majority of tribological studies were carried out using imperfect (rough) surfaces and lubricant films with uncertain component composition, thickness, and structure. Purpose. To establish the influence of the structure of self-assembling n-alkanes monolayers on their tribological properties in the frictional interface. Materials and Methods. The atomically flat surface of gold and one-component monolayer films of n-alkanes (CnH2n+2, n = 14, 16, 48, 50, 60) are used as materials. The scanning tunneling microscopy method is used to establish the structure of self-assembled monolayers on the gold surface as well as to control stability of monolayers before and after the tribological measurements. The kinetic coefficient of friction μko of interfaces have been studied using a magnetic levitation tribometer. Results. The nonmonotonic dependence of kinetic friction coefficient μko on the length of n-alkane molecule has been experimentally established. Conclusions. The kinetic friction coefficient μko has been established to abnormally decrease for the n-alkanes with “magic length” (n times 16).

Введение. Установление закономерностей взаимодействия микроконтактов в интерфейсе трения, образованного двумя подвижными телами, является важным шагом для создания новых классов материалов с определенными физико-химическими свойствами. При относительном движении взаимодействующих поверхностей неизбежно происходит износ их контактирующих участков (микроконтактов), в результате чего в интерфейсе трения возникают обломки, вызванные разрушением более эластичного материала. Проблематика. Степень разрушения интерфейса существенно уменьшается при добавлении смазочных пленок в область контакта. Если в условиях сухого трения (без смазки) описание места контакта является практически решенным заданием (модель контактного взаимодействия Герца, Джонсона-Кендалла-Робертса), то при наличии смазки эта за дача существенно усложняется из-за необходимости определения фактора реологической компоненты трения и фактора интерфейсного взаимодействия. Кроме того, подавляющее большинство трибологических исследований вы полнено на несовершенных (шероховатых) поверхностях с использованием смазочных пленок с неопределенными компонентным составом, толщиной и структурой. Цель. Установление влияния структуры самоупорядочения монослойных пленок на их трибологических свойства в интерфейсе трения n-алкан/атомно-гладкая поверхность. Материалы и методы. Использованы атомно-гладкие поверхности золота и однокомпонентные смазочные монослойные пленки n-алканов (CnH2n+2, n = 14, 16, 48, 50, 60). Для установления структуры самоупорядочения пленок на поверхности золота и контроля степени их разрушения до и после трибологических измерений использовано сканирующую туннельную микроскопию. Кинетический коэффициент трения μko интерфейсов измерено с помощью магнитного левитационного трибометр. Результаты. Экспериментально установлено немонотонную зависимость коэффициента трения μko от длины мо лекул смазочных пленок. Выводы. Установлено, что для n-алканов с «магической длиной» (n кратно 16) μko аномально уменьшается.