물리적 흡착으로 제작된 새로운 나노베어링

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 14539(2015) 이 기사 인용

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본 논문에서는 갇힌 유체가 고체 벽에 물리적으로 흡착되어 형성된 새로운 나노 베어링을 제안합니다. 베어링은 서로 미끄러지는 두 개의 평행하고 부드러운 고체 평면 벽 사이에 형성되는데, 기존의 유체 역학 윤활 이론에서는 윤활 효과가 없을 것으로 예측했습니다. 이 베어링에서 고정된 견고한 벽은 윤활유와의 상호 작용 강도가 각각 다른 두 개의 하위 영역으로 나뉩니다. 이는 두 하위 구역 각각의 고정된 고체 벽에서 윤활유의 서로 다른 물리적 흡착 및 미끄러짐 특성을 초래합니다. 윤활막의 강한 물리적 흡착과 비연속 효과로 인해 낮은 윤활막 두께에 대해 베어링의 상당한 하중 지지 능력이 생성될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

마이크로/나노 장치에서 결합된 고체 표면은 종종 서로 평행하고 미끄러집니다1. 이러한 표면 사이의 윤활은 두 표면 사이의 접착력 감소를 포함하여 형성된 접촉의 성능에 매우 중요하기 때문에 까다롭습니다. 그러나 기존의 유체 역학 윤활 이론에서는 질량 흐름으로 인해 윤활이 생성될 수 없다고 말했습니다. 접촉으로 동반된 윤활유의 Couette 흐름 속도는 접촉 외부로 동반된 것과 동일하며, 이 접촉에서 항상 만족되는 흐름 연속성 조건은 사라지는 압력 구배2,3입니다.

기존의 유체역학적 윤활 이론이 윤활 마이크로/나노 접촉의 성능을 예측하지 못한 이유는 이러한 이론이 균일한 접촉 표면 특성만 고려하고 접촉에서 윤활 필름의 물리적 흡착 및 미끄러짐 요인을 무시했기 때문입니다. 표면이며 연속체 윤활제의 가정을 기반으로 했습니다4. 결합된 두 고체 표면 사이의 분리가 나노미터 규모일 때, 기존의 유체역학적 윤활 이론은 위에서 언급한 비현실적인 가정으로 인해 확실히 실패할 것입니다. 실험과 분자 역학 시뮬레이션(MDS)에 따르면 나노미터 규모의 표면 분리에서 제한된 유체는 고체 표면에서 심각하게 미끄러질 수 있으며 접촉-유체 상호 작용 강도는 이러한 계면 미끄러짐에 매우 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다5,6,7,8 ,9,10. 또한 이러한 분리에서 고체 표면에 대한 제한된 유체의 물리적 흡착은 고체 표면에 대한 제한된 유체의 질서로 나타나는 것으로 유체 내 운동량 전달에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다 11,12,13,14 ,15,16. 윤활 마이크로/나노 접촉에서 경계막 계면 미끄러짐은 경계막 접촉 계면 전단 강도를 초과하는 경계막 계면 전단 응력의 결과입니다. 경계막 접촉 계면 전단 강도를 낮추고 경계막 계면 미끄러짐 속도를 높입니다. 경계막의 상대적 미끄러짐 양(후자에서는 γs로 정의됨)은 -1과 1 사이의 범위입니다. γs의 크기가 클수록 계면 미끄러짐이 더 심함을 나타내며, 1과 동일한 γs의 크기는 가장 심각한 계면 미끄러짐을 나타냅니다. 접촉면의 경계막을 정지시키거나 접촉면의 경계막의 이동 속도를 가장 크게 증가시킵니다. 따라서 경계막 계면 미끄러짐은 작동 조건과 계면 미끄러짐이 발생하는 위치에 따라 접촉을 통한 윤활막의 질량 유량을 감소시키거나 증가시킬 수 있습니다. 따라서 윤활 마이크로/나노 접점의 성능에 해롭거나 유익할 수 있습니다. 나노 채널의 고체 벽에 대한 제한된 유체의 강한, 중간 수준 또는 약한 흡착은 제한된 유체와 벽 사이의 상호 작용 강도에 따라 불가피하게 존재할 수 있습니다11,12,13,14,15. 유체-벽 상호작용이 강할수록 벽에 대한 유체의 물리적 흡착은 강해지지만 유체 계면 미끄러짐은 약해집니다. 또는 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.