超潤滑性

超潤滑とは、摩擦が消滅するか、ほぼ消滅する相対運動の状態です。しかし、「消滅する」摩擦レベルの定義は明確ではなく、この用語は曖昧です。アドホックな定義として、0.01未満の動摩擦係数を採用することができます。 ^[1]この定義についても、さらなる議論と明確化が必要です。

超潤滑性は、2つの結晶表面が乾燥した不整合接触で互いに滑り合うときに発生する可能性があります。これは、1980年代初頭にフレンケル・コントロバモデルで初めて説明され、オーブリー転移と呼ばれています。これは、数学モデルとして^[3]、原子シミュレーション^[4]、およびさまざまな実験システムで広く研究されてきました。 ^{[5] [6]}

この効果は構造潤滑性とも呼ばれ、2004 年に 2 つのグラファイト表面間で検証されました。 ^[7] グラファイト内の原子は六角形に配向し、卵の入った箱のような原子丘谷地形を形成します。2 つのグラファイト表面が位置合わせされている場合 (60 度ごと)、摩擦力は高くなります。2 つの表面が位置合わせから外れると、摩擦は大幅に減少します。これは、2 つの卵の入った箱が互いに対して「ねじれる」と、より簡単に互いの上を滑ることができるようなものです。

2012年に、マイクロスケールのグラファイト構造における超潤滑性の観察が報告されました。 ^[8]数マイクロメートルの正方形のグラファイトメサをせん断し、せん断された層の自己収縮を観察することによって観察されました。このような効果は、グラフェンとニッケルの層のモデルに対して理論的にも説明されました^{[9] 。常温でも再現可能なこの観察により、超潤滑性への関心は、高度に理想的な条件下でのみアクセス可能な主に学術的なトピックから、マイクロおよびナノ}メカニカルデバイスへの実用的な意味を持つトピックへと移行しました。^[10]

鋭い先端が平らな表面上を滑り、加えられた荷重が一定の閾値を下回る場合にも、超低摩擦状態が達成される。このような「超潤滑」閾値は、トムリンソンモデルで説明されているように、先端と表面の相互作用と接触する材料の剛性に依存する。^[11] 閾値は、摺動システムをその共振周波数で励起することによって大幅に増加することができ、これはナノ電気機械システムの摩耗を制限する実用的な方法を示唆している。^[12]

金のAFMチップとテフロン基板の間でも、反発するファンデルワールス力と、鋼鉄表面にグリセロールによって形成された水素結合層により、超潤滑性が観察された。水素結合層の形成は、ブラセニア・シュレベリの粘液から得られた生物学的液体によって潤滑された石英ガラス表面間の超潤滑性にもつながることが示された。超潤滑性のその他のメカニズムには以下が含まれる可能性がある：^[13] (a) 物体間の自由またはグラフトされた高分子の層による熱力学的反発により、より強い閉じ込めにより中間層のエントロピーが短い距離で減少する。(b) 外部電圧による電気的反発。(c) 電気二重層による反発。(d) 熱変動による反発。^[14]

超潤滑という用語が超伝導や超流動などの用語と類似していることは誤解を招きやすい。他のエネルギー散逸メカニズムによって、有限の（通常は小さい）摩擦力が生じる可能性がある。超潤滑は、ニチノールなどの物質の弾性率が極めて低いがゼロではない超弾性、物質が通常よりも低い温度まで液体のままである過冷却、光をほとんど反射しない超ブラック、非磁性層と強磁性層が交互に重なると極めて大きいが有限の磁気抵抗効果が観測される巨大磁気抵抗、ダイヤモンドまたはダイヤモンドとほぼ同等の硬さの超硬質材料、回折限界よりは細かいものの有限の解像度を持つ超レンズ効果などの現象に類似している。

2015年、研究者らは初めてマイクロスケールでの超潤滑性の証拠を得た。^[15]実験は計算研究によって裏付けられた。Miraスーパー コンピューターは、乾燥環境で最大120万個の原子、湿潤環境で最大1000万個の原子をシミュレートした。^[15]研究者らは、LAMMPS（大規模原子分子超並列シミュレータ）コードを使用して、反応性分子動力学シミュレーションを実行した。研究者らは、OpenMPスレッドを追加し、主要なアルゴリズムでMPIポイントツーポイント通信をMPI集団に置き換え、MPI I/Oを活用することで、LAMMPSとReaxFFの実装を最適化した。これらの機能強化により、パフォーマンスが2倍になった。

摩擦はエネルギーを大量に消費することが知られています。例えば、詳細な研究^[16]では、新しい自動車エンジンのエネルギー損失の3分の1は摩擦によるものであることがわかりました。超潤滑コーティングはこれを減らすことができます。潜在的な用途としては、コンピューターのハードドライブ、風力タービンのギア、マイクロエレクトロメカニカルシステムやナノエレクトロメカニカルシステムの機械式回転シールなどがあります。^[17]

• 摩擦力顕微鏡
• トムリンソンモデル