Версия для слабовидящих
История одного открытия, или Нано-бронежилеты для нано-роботов Печать Email
Новости об инновациях
17.05.2014

На втором курсе института, когда нам рассказывали «Историю науки», я помню, как слушал про студента, который забыл выключить тигель, и совершившего открытие, или одного известного ученого, получившего яблоком по голове, и думал, что это сказки, и в современной науке такого не бывает. В принципе, если посмотреть на публикации в топовых физических журналах, видно, что все они — результат долгого упорного копания в одном направлении. Новоселов с Геймом даже нобелевку получили не за открытие, как таковое, а за «планомерное исследование свойств». Но, тем не менее, открытия в современной науке все-таки случаются, и я хочу рассказать об одном из них, будучи его соавтором.

С начала — небольшой экскурс в ту область физики и нанотехнологий, корой я занимаюсь — это микро- и нано- трибология. Сама по себе трибология — наука весьма почтенного возраста, которая занимается трением и износом. Казалось бы, в этой области все уже давно известно — налил смазки побольше, и никакого трения. И изучать тут, с научной точки зрения, особо нечего. Но с развитием микроминиатюризации, трибология получила втрое дыхание. Потому что методы макромира (вылить ведро масла) на микро-уровне уже не работают — и не потому, что все просто утонет, можно же масло и по капле добавлять?

Проблема заключается в том, что при уменьшении размера движущихся частей, возрастает вклад поверхности. И всякие поверхностные эффекты, которые на макро уровне ничтожны, на микро-уровне начинают доминировать. В частности, поверхностное натяжение. Поэтому, при уменьшении компонентов, после определенного предела, использовать смазку нельзя. И на сцене появляется сухое трение. Например, коэффициент сухого трения кремния по кремнию (самый распространенный материал для MEMS) достигает 0.7. Т.е. 70% мощности такого двигателя будет уходить просто на то, что бы провернуть ротор. Нужно как-то с этим бороться. Очевидный способ — нанести на компоненты какое-либо твердое покрытие с низким уровнем трения. Поскольку речь идет о микро-компонентах, и толщина покрытия должна быть весьма малой — обычно речь идет о десятках нанометров, но бывают и ультратонкие покрытия, с толщиной 1–2 нм. В принципе, существует изрядное количество покрытий, которые могут быть использованы для уменьшения трения и износа — мягкие металлы, органические самоориентирующиеся молекулы, графен и алмазоподобные пленки. Материалов много, но все они имею те или иные недостатки, и какого-либо универсального пока еще не придумали.

Из этого списка, пожалуй, алмазоподобные пленки (Diamond-like coatings, DLC) наиболее известны. Тем более, что они могут одинаково успешно применяться как на микро- так и на макро-уровне. Так, Hyundai в настоящее время использует DLC для покрытия поверхности клапанов в двигателях, устанавливаемых на топовые модели автомобилей. Планируется использовать DLC в НЖМД для упрочнения посадочных поверхностей гидродинамических подшипников. Можно найти сотни других применений DLC в реальной жизни, включая покрытие на режущей кромке лезвий для бритья. В большинстве случаев для нанесения DLC используется магнетронное распыление — метод хорошо известный и отработанный. Но, как всегда, есть нюансы. Самый главный — все это весьма дорого. Есть и чисто технические проблемы, такие как высокий уровень внутренних напряжений, чувствительность к влажности и т.п. Поэтому, попытки сделать DLC дешевле и еще лучше, не прекращаются.

Вместе с коллегами из моей альма-матер, мы уже несколько лет разрабатываем одну, можно сказать альтернативную технологию — нанесение алмазоподобных пленок ионным пучком, в котором в качестве материала используется не атомарный углерод, а молекулы фуллерена С60. Фуллерен ионизируется, разгоняется до 5 кэВ и лупит по подложке. При этом молекулы разбиваются, и из обломков формируется аморфная структура с интересными свойствами. Подробности можно найти в этой статье. Этот метод имеет свои преимущества, в частности наши пленки не боятся влаги, ну и использование ионного пучка позволяет наносить покрытие на предметы произвольной формы, что несколько затруднительно в случае магнетронного распыления. Недостаток наших пленок — довольно высокий уровень собственных напряжений. Пленка стремится расшириться, занять больший объем, чем у нее есть. Это приводит к неприятным последствиям — если нанести такую пленку на тонкую подложку — подложка может изогнутся. Если подложка будет потолще, а адгезия между пленкой и подложкой недостаточно хороша — пленка просто отслоится.

У нас появилась идея разбавить твердую массу DLC чем-нибудь мягким, что бы компенсировать внутренние напряжения. А, поскольку, в качестве основного материала использовался фуллерен, его и добавили. Оказалось, что если параллельно с ионным пучком, на подложку направить пучок молекулярный, то в результате получается некий нано-композит, в котором молекулы фуллерена окружены твердым аморфным углеродом. Как и ожидалось, уровень напряжений в такой пленке оказался существенно меньше. Вообще говоря, мы никаких напряжений не обнаружили. Конечно, твердость пленки тоже уменьшилась — если для пленки, нанесенной из ионного пучка характерны значения 50–60 ГПа, то нано-композит продемонстрировал 25–30 ГПа. Но это все равно достаточно много — к примеру, твердость монокристаллического кремния ~ 10 ГПа. Ура, задача решена. Вот тут, в процессе измерения твердости, и подкралось открытие, о котором я говорил в самом начале.

Но, прежде чем перейти к сути, нужно сделать еще одно отступление. Рассказать о том, как измеряется твердость пленок. В принципе, метод тот же — берем тарированную алмазную пирамидку, и вдавливаем в поверхность с определенным усилием. Чем мягче материал, тем глубже вдавится пирамидка. Меряем размер отпечатка — получаем твердость. Все это легко, когда нужно померить твердость рельса. И становится затруднительным, когда речь заходит о пленках, толщиной 100 нм. Для этих целей был разработан метод наноиндентирования (nanoindentation, depth sensing indentation). Суть состоит в том, что мы постепенно увеличиваем нагрузку на пирамидку (индентор) и одновременно фиксируем глубину проникновения. Обычно используется линейный закон нагрузки и разгрузки. Ну и пирамидка нужна специальная. В нашем случае это трехгранная пирамидка с диаметром острия 100 нм.

В результате «контролируемого протыкания», к примеру, мягкой фуллереновой пленки, получается вот такая кривая:

nanobron.png

Здесь ось X — это глубина проникновения индентора (в нанометрах), Y — приложенная к индентору сила. Красная стрелка показывает направление нагрузки, зеленая — разгрузки. Глубина проникновения зависит от твердости. Чем мягче материал, тем глубже проникает индентор при той же нагрузке. При этом упругость (модуль Юнга) можно вычислить по углу наклона кривой нагрузки. Кривые нагрузки и разгрузки не совпадают в результате пластической деформации в точке контакта. Если исследовать отпечаток с помощью атомного-силового микроскопа, то получим вот такую картину:

nanobron_1.png

Слева — вид сверху, справа — сечения вдоль красной и зеленой линий. Хорошо видно, что индентор — таки трехгранная пирамида:). В случае упругих материалов, таких как резина, кривая нагрузки будет совпадать с кривой разгрузки, потому что в этом случае имеет место только упругая деформация, до определенного предела, конечно, ну и отпечатка на поверхности не останется. Случай, когда кривая разгрузки будет лежать выше чем кривая нагрузки, в принципе, не возможен.

Ну вот однажды, такая «невозможная» кривая и была зафиксирована экспериментально (рисунок d):

nanobron_2.png

Сначала я просто решил, что это какой-то глюк в приборе. Потом проверил еще раз. Воспроизвелось. Не поверил. Потом начал разбираться. Как оказалось, это явление характерно для нано-композитов, состоящих из смеси молекул фуллерена и твердого аморфного углерода. В зависимости от скорости, с которой производится нагрузка и разгрузка во время теста, кривая меняет свою форму. Когда мы давим быстро — получаем типичную картину для твердой пленки (a). Давим медленно — получаем «то, чего не может быть». Очевидно, что при малой скорости продавливания в пленке возникает какая-то дополнительная движущая сила, которая выталкивает индентор обратно. Но какая?

Детальный анализ показал, что в случае «аномального» индентирования, вместо отпечатка образуется холм высотой в несколько десятков нанометров (a, b):

nanobron_3.png

Детальный анализ показал, что высота «холмов» зависит от соотношения ионного и молекулярного пучков в процессе изготовления (с).

Очевидно, что под нагрузкой материал разбухает, что приводит к выталкиванию индентора и формированию холмов вместо отпечатков. Так за счет чего же? При совместном использовании ионного и молекулярного пучков, происходит полимеризация молекул фулерена. В обычном состоянии они связаны слабыми Ван-дер-Ваальсовскими связями. Однако, если их хорошенько «пнуть», то между двумя соседними молекулами образуется намного более прочная ковалентная связь. Эти два типа связи, помимо прочности, отличаются длиной. Ковалентная связь короче, и полимеризованные молекулы упакованы плотнее. При «протыкании», полимерные комплексы в месте контакта деформируются, и ковалентные связи разрушаются. В результате, плотно упакованные молекулы стремятся отодвинуться друг от друга, что приводит к увеличению объема, заполнению отпечатка и формированию холма. Почему этот эффект наблюдается только при медленном индентировании? Мы считаем, что выход деполимеризованных молекул к поверхности — это процесс диффузионный, и при быстром индентировании им просто не хватает времени.

Помимо «самозалечивания» поверхности, такие нано-композитные пленки демонстрируют еще одно интересное свойство — динамическую твердость. Пленка является очень твердой в случае ударной нагрузки, при этом относительно мягкой и податливой в случае нагрузки постоянной или медленно нарастающей. Зачем это нужно — мы еще не придумали, пока что в воздухе носятся мысли типа «нано-бронежилетов для нано-роботов». Есть идеи?

Более подробное описание можно найти в этой статье (англ.): http://pubs.acs.org.sci-hub.org/…21/nl500321g.

Источник - http://www.nanonewsnet.ru/news/2014/istoriya-odnogo-otkrytiya-ili-nano-bronezhilety-dlya-nano-robotov

 

Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта