Прибор для моделирования процесса трения

 

Изобретение относится к приборам для исследования механизма трения в нанотрибоконтактах путем моделирования процесса взаимодействия иглы атомно-силового микроскопа (АСМ) с атомарно-гладкой поверхностью образца в режиме измерения латеральных сил для визуализации эффекта прилипания-скольжения. Прибор для моделирования процесса трения в нанотрибоконтактах содержит образец, имитирующий исследуемую поверхность, зонд на маятниковом подвесе, имитирующий иглу АСМ и имеющий регулируемый центр тяжести, механизмы отсчета угла наклона зонда и перемещения образца. Образец выполнен в виде плоскопараллельной пластины с набором круглых отверстий, проделанных в узлах двумерной периодической решетки, в которых расположены магниты цилиндрической формы, имитирующие атомы образца и обладающие вертикальной степенью свободы, а зонд выполнен в виде диска с круглыми отверстиями, в которых расположены такие же магниты. Данное изобретение обеспечивает возможность исследования механизма трения в нанотрибоконтах. 1 ил.

Изобретение относится к области научного приборостроения, в частности к приборам для исследования механизма трения в нанотрибоконтактах путем моделирования процесса взаимодействия иглы атомно-силового микроскопа (АСМ) с атомарно-гладкой поверхностью образца в режиме измерения латеральных сил для визуализации эффекта прилипания-скольжения (ПС).

Изображения поверхности в режиме латеральных сил отражают эффект ПС, имеющий периодичность постоянной решетки, соответствующей данному образцу [1].

Эффект ПС (stick-slip effect) является ключевым для контактной моды АСМ. Впервые на атомарном уровне он наблюдался в работе [2] при измерении латеральных сил, действующих на вольфрамовый зонд, скользящий по поверхности высокоориентированного пиролитического графита. Атомарную периодичность эффекта ПС качественно объясняет модель образования и разрыва адгезионных связей. При каждом положении зонда относительно поверхности образца "пятно" контакта закрывает определенный ее участок, причем для зонда заданной формы количество атомов поверхности под ним изменяется в зависимости от латеральных координат поверхности.

При латеральном нагружении контакта, вызванном перемещением образца, энергия запасается в форме упругой энергии контакта, зонда и образца. Относительное скольжение зонда и поверхности начинается в тот момент, когда запасенная энергия достаточно велика, чтобы зонд мог "выскочить" из потенциальной ямы и зафиксироваться в другой точке поверхности.

Характер этого движения хорошо передается моделью, в которой "атомы-магниты" уложены на поверхности образца в виде правильной решетки и имеют вертикальную степень свободы, а зонд, имеющий плоскую форму (с такими же магнитами на поверхности), укреплен на маятниковом подвесе, ось которого перемещается с постоянной горизонтальной скоростью. Эта модель позволяет наглядно визуализировать атомарный эффект ПС на макроуровне, а также измерять величину силы трения путем моделирования процесса взаимодействия зонд-образец для различных сочетаний формы зонда и геометрии образца.

Технический эффект изобретения состоит в исследовании механизма трения в нанотрибоконтактах путем моделирования процесса взаимодействия иглы АСМ с атомарно-гладкой поверхностью образца в режиме измерения латеральных сил для визуализации эффекта ПС.

Указанная цель достигается тем, что предлагается прибор для исследования механизма трения в нанотрибоконтактах путем моделирования процесса взаимодействия иглы АСМ с атомарно-гладкой поверхностью образца в режиме измерения латеральных сил.

На чертеже изображен общий вид предлагаемого прибора.

Прибор состоит из образца 1, выполненного в форме плоскопараллельной пластины с набором круглых отверстий, в которых расположены магниты 2 цилиндрической формы, имеющие вертикальную степень свободы, и прозрачных пластин 10, ограничивающих движение магнитов в вертикальном направлении, зонда 3 в форме диска с отверстиями, в которых расположены такие же магниты. Зонд 3 и стержень 4 образуют маятниковый подвес с осью 5, центр тяжести которого относительно образца 1 фиксируется регулировочным винтом 6. Зеркало 7 вместе с коллиматором 8 и шкалой 9 служат для визуализации колебаний зонда при относительном перемещении образца, а датчик 11 регистрирует эти колебания в ходе эксперимента.

Прибор работает следующим образом.

Зонд 3 первоначально устанавливается в точке минимума потенциальной энергии системы зонд-образец. Затем снимаются показания датчика 11 при прямом и обратном движении зонда относительно образца. В результате получается "фрикционная петля" латеральных сил, отражающая режим ПС. На основе анализа и численного расчета полученных данных определяется средняя сила трения в контакте зонд-образец.

Источники информации 1. Дедков Г.В. УФН 170 585 (2000).

2. Mate C. M. et al. Phys. Rev. Lett. 59 1942 (1987).

Формула изобретения

Прибор для моделирования процесса трения в нанотрибоконтактах, в частности, процесса взаимодействия иглы атомно-силового микроскопа (АСМ) с атомарно-гладкой поверхностью образца в режиме измерения латеральных сил для визуализации эффекта прилипания-скольжения (ПС), включающий образец, имитирующий исследуемую поверхность, зонд на маятниковом подвесе, имитирующий иглу АСМ и имеющий регулируемый центр тяжести, механизмы отсчета угла наклона зонда и перемещения образца, отличающийся тем, что образец выполнен в виде плоскопараллельной пластины с набором круглых отверстий, проделанных в узлах двумерной периодической решетки, в которых расположены магниты цилиндрической формы, имитирующие атомы образца и обладающие вертикальной степенью свободы, а зонд выполнен в виде диска с круглыми отверстиями, в которых расположены такие же магниты.

РИСУНКИ

Рисунок 1