分子动力学模拟的Pt集群负载在石墨的摩擦特性

1介绍

结构不能通约,因表面晶格不匹配或自然失调,如所示图1,可以防止联锁和集体粘滑运动的运动界面粗糙,顺向的可能性微乎其微静态摩擦力(铜质把手et al ., 2017;他et al ., 2022年)。Hirano等人介绍了基本框架结构superlubricity。从那时起,许多实验在纳米和细观一直确认其有效性(Hirano Shinjo, 1990)。原则上,结晶和无定形的颗粒可能是合适的候选人进行结构性superlubricity。然而,尽管结构superlubricity已经观察到在不同材料接触(李和斯宾塞,2008年;Sweeney et al ., 2012;Bylinskii et al ., 2016;里斯et al ., 2016;伯曼et al ., 2018;吉利et al ., 2018;铜质把手et al ., 2019),它的实现在实际固相固相润滑计划仍然是一个具有挑战性的任务。几个因素,如自发把滑动层在滑动相称的状态,外加负载的范围、滑动速度、弹性变形,边缘效应,和联系的大小,作为结构superlubricity(关键限制因素Dietzel et al ., 2017;Vanossi et al ., 2020)。此外,接触大小实现superlubricity中扮演着关键角色,作为过渡的阈值从一个不相称的相应状态密切相关,接触表面之间的相互作用的能量和横向刚度合规。

集群是很有前途的候选人为解决结构的关键挑战superlubricity和获得洞察摩擦机制在原子论的层面上。这是由于他们的高杨氏模量相比,大部分结构和其固有的高刚度。因此他们可以滑动期间表现出更少的弹性变形。例如,黄金集群已经被证明有一个滑动机制称为“弹道滑动”石墨与模拟(Guerra et al ., 2010)。有趣的是,相对较大的金属集群使无摩擦运动。锑原子组成的集群在2300 - 250的范围,以及黄金集群组成250原子,表现出快速扩散在石墨表面(Bardotti et al ., 1996)。集群,有惰性的性格在环境条件下氧化,从而保持一个自动平界面基质,防止被污垢分子渗透,已被证明展览结构光滑的行为(Cihan et al ., 2016)。此外,即使是同样的材料,单原子的岛屿和厚集群不会表现出相同的摩擦所示为金属集群,这取决于它们的大小和厚度(Guerra et al ., 2010;Brndiar et al ., 2011;Reguzzoni Righi, 2012;Guerra et al ., 2016)。例如,Kr岛屿的摩擦力结果显示相应配置,低于临界规模,稳定在这个配置和静摩擦,透露的粘滑运动行为通常建议在摩擦力测量实验中观察到(Reguzzoni Righi, 2012)。另一方面,如上所述,奥布里的理论,一个不相称的一维链/基体界面体验superlubric滑动状态或一个固定摩擦状态取决于基质的临界值可能起皱。即化学滑动表面之间的相互作用可能更有效控制纳米摩擦比确认的一个关键尺寸的纳米粒子Dietzel et al ., 2017)。因为这一理论也适用于纳米接触,很明显,一个原子的控制低摩擦状态是可能的,只有在相互接触满足所需的条件完全由量子力学效应在接口(Zanca et al ., 2018)。

原子力显微镜(AFM)的建议作为一个有价值的工具,用于调查的动力摩擦接触身体和测量静摩擦。使用AFM的挑战建立摩擦法在纳米尺度上位于大敏感性的接触行为特定的实验条件,如表面化学或几何。克服这些挑战已成为可能通过使用分子动力学模拟,它们是无价的识别和理解原子论的现象背后摩擦(高et al ., 2007;Chandross et al ., 2008;Klemenz et al ., 2014;吉利et al ., 2018;铜质把手et al ., 2019;江et al ., 2020)。尽管限制,所有级别的MD在纳米摩擦建模与特定的势高度信息和预测。因为我们还没有一个全面、简洁的摩擦理论适用于所有情况下由于其复杂的行为在原子尺度。

因此,我们选择了Pt集群调查Pt集群在石墨表面的摩擦特性。Pt集群环境条件下抗氧化。因为杨氏模量高的集群和大部分同行相比,我们期望,Pt集群可以容忍高负载由于其内在的刚度。此外,它已被观察到大型Pt集群展览superlubric滑动石墨,虽然他们往往产生相对更高的摩擦力比同样大小的非盟集群(Ozoğul et al ., 2017)。我们进行了分子动力学模拟来检查一个小的摩擦性质Pt集群组成200个原子排列在11个原子层的(111)面批量Pt。我们的调查集中在评估相称和不相称的取向的影响,考虑散热和负载的影响。在我们的模拟约束,我们分析了摩擦力、摩擦系数、和势能4 K的温度变化。此外,我们实现了一个热恒温器的温度维持在4 K,让我们分析的摩擦行为Pt集群而占热耗散。

2材料和方法

图1说明我们的仿真设置中,描绘了一个200 -原子之间的摩擦Pt集群内堆放11-layer(削减(111)面散装Pt)和一层石墨表面。工党集群,半径为6.5 a,模拟滑的石墨衬底。我们预计,利用11个原子层的Pt集群将足以维持一个不相称的状态接口。这是因为厚集群有一个较小的临界接触规模维持在滑动一个不适应的状态,而薄的集群和岛屿。一般来说,工党(111)板表面,石墨具有相互不能通约由于几何之间的晶格不匹配。促进摩擦特性的比较分析,我们有意创建了一个Pt集群取向与石墨表面不相称的,以及一个相称的。这种深思熟虑的选择让我们检查和对比这些不同方向之间的摩擦行为更有效。Pt-Pt之间的交互,碳碳原子Pt-C建模使用Reaxx潜在由于其功能描述这些intralayer和层间的相互作用(Sanz-Navarro et al ., 2008)。

Reaxx势结合了自身能量项占原子的不同电荷状态,库仑静电相互作用的能量项,和长程范德华能量项捕获键作用力。因此,一个适当的参数化Reaxx潜力可以有效地描述原子水平的化学和机械交互,以及弛豫机制,在Pt-C接口。它提供了计算效率优势相比,采用方法(梁et al ., 2013)。

模拟一个真正的原子力显微镜(AFM)实验并获得洞察Pt和石墨表面之间的摩擦机制取决于接触取向,我们雇了一个拉提示连接到每个集群Pt原子通过谐波弹簧。这些弹簧的力常数(K)的价值16兆电子伏/²,选择模仿实际的刚度AFM小费。力常数的值确保了仿真密切接近在AFM研究中遇到的实验条件。这个模拟设置Frenkel-Kontorova-Tholimson模型的一个扩展版本(维斯和埃尔默,1996)的模拟综合与附加弹簧是由一个恒定的速度。在我们的医学方法,原子间相互作用势U (r)计算使用Reaxx潜力。的力量在原子坐标R_我写为:

因为在一个真正的AFM实验中,悬臂弯曲取决于身体的弹性交互作用,这些弹性相互作用可以被视为与一定的刚度弹簧(Vanossi et al ., 2013)。在我们的模拟中,正常负荷应用于Pt集群垂直于其表面复制的影响正常加载应用原子力显微镜(AFM)的实验。这些负载保持作为一个恒力应用通过质心,和价值观是积极的。探讨摩擦行为在不同负载下,工党集群经历正常的负载范围从0.05到0.38 nN /原子。这些负载可以进一步相关的压力从0.25到1.9的绩点。在这个范围内通过改变应用的负载,该研究的目的是检查摩擦如何应对不同压力条件下的变化。探讨摩擦系统的行为,我们模拟Pt集群的拖在石墨表面恒定横向速度为0.001 a / fs。重要的是要注意,应用正常负载这拖动过程中保持不变。这种方法允许我们检查原子间力和应用的影响正常负载系统的摩擦特性,提供有价值的见解观察摩擦行为的机制。在这项研究中,所有的模拟进行了使用LAMMPS代码(Plimpton 1995)。之前我们的准静态模拟方法也紧随其后Fasolino (范Wijk et al ., 2013博)和(博et al ., 2009)。

瞬时拉力F_x被定义为总力有经验的提示的方向滑动x的牵引速度 $\vec{v}$ 在给定的时间和给药:

在这里,K代表弹簧常数和16兆电子伏/分配一个值²,x代表的滑动方向提示。

因为所有Pt原子相连,拖着伪AFM提示这些弹簧,没有转矩可以形成,工党在模拟集群不能旋转。因此,工党集群可以保持其初始相称的或不适应的位置对石墨表面。由于滑动速度 $\vec{v}$ pseudo-AFM提示在模拟是恒定的,这种横向拉力应该等于经历的摩擦力在横向方向滑动。因此,在我们的准静态协议的平均水平F_x是一个周期函数的位置。

同时,F_x可以编写在正常负载(N)和摩擦系数μ。的时间平均F_x等于摩擦力,它起源于的恒定速度拖Pt集群的春天。这种摩擦力也相当于系统的总能量变化(ΔW)给出的路径

总力F_总经验丰富的Pt集群原子Pt和石墨相互作用的结果。这种交互从分子间和分子内相互作用的贡献:

在这里,F_Reaxx表示之间的力Pt-C、碳碳和Pt-Pt原子,F_x代表了滑动方向的作用力。此外,F_负载占负荷力的Pt原子z方向(垂直于表面Pt)。

加载力经验/ Pt原子,表示F_负载,可以计算除以总负载力量,表示负载Pt集群原子总数,表示N是由:

它也是一个常数不同负载的某些值在每个单独的仿真。摩擦系数μ摩擦力的计算时间除以平均为每个负荷值和负载是由:

所有模拟进行5对石墨的路径。

3的结果

Superlubricity意味着有效摩擦力显著降低或消除,导致AFM的顺利和轻松滑动引起的表面。因此,如果摩擦几乎是零,它通常被称为superlubricity,无论应用负载,AFM的上下文中实验。在我们的模拟中,我们拖Pt粒子在石墨表面恒定速度。如果一个粒子沿横向滑动以一个恒定的速度,粒子上的横向力应该是零在没有任何外部影响,导致无摩擦运动。然而,重要的是要注意,在实践中实现这种完美superlubricity可能具有挑战性由于各种因素如表面粗糙度、界面相互作用,系统的弹性响应。例如,分子间作用力的作用,尤其是范德华相互作用,是重要的理解摩擦系数之间的关系和应用负载的变化。范德瓦尔斯力,其中包括伦敦色散力和偶极-偶极相互作用,负责原子和分子之间的吸引力和排斥力。

阐明的摩擦行为Pt集群,我们最初开始相称和不相称的石墨表面接触。所示图1,如果不适应环境的角度ϕ是0°之间的石墨表面正常和Pt集群,接触原子大部分是注册很好,导致锯齿形石墨方向对应的联系。而可能有很多不适应的Pt集群之间的联系和石墨根据不合群的角度ϕ。自不相称的接触会导致更少的注册界面的原子,导致更少的相互接触的原子比相称的接触,我们故意选择一个不合群的角度ϕ= 17°作为一个潜在的不相称的接触获得仿真结果。在零负荷条件下(L = 0 nN),最初的不适应的Pt集群与石墨表面接触展品顺利运动所示图2,其特点是缺乏重要的阻力或摩擦。这种行为可以归因于两个表面之间的弱相互作用,允许简单的滑动和最小能量耗散。当没有额外的负载,Pt集群展品superlubric行为在滑动。

最初,随着Pt集群负载下,弱的分子间作用力,如范德华Pt原子之间的相互作用,石墨表面允许集群遵守或“粘”浮出水面。这个集群的附着力抵制运动,导致累积界面区域的应力和变形。

然而,随着外加负载超过某个阈值以上20 nN,或者当压力积累变得足够高,界面债券削弱或破裂,导致突然释放弹性能量存储和快速的“滑”Pt集群在表面。这个滑动是伴随着减少摩擦力,导致暂时降低抵抗运动,从一个不相称的状态过渡到当地的一个相称的状态。陡峭的跳跃中观察到的粘滑运动行为代表突然从静态或动态滑动near-static坚持。释放弹性能量存储在这个过渡Pt集群快速位移的结果,导致摩擦力突然下降。这断断续续的坚持和快速下滑导致抽筋的运动,用棍子阶段特点是集群的临时固定表面由于较强的原子间力和滑动的更高的能量势垒。随着外加负载增加,原子间力和Pt集群之间的石墨表面变得更强大,导致减少他们最初的平衡距离从3.15到3.007。这些原子间力有助于加强在高负载的情况下观察到的粘滑运动行为。因为它可以影响吸引力和排斥力的平衡之间的范德华力在接口Pt粒子和石墨的表面。吸引力和排斥力在接口之间的竞争决定了摩擦力的大小。随着负载的增加,这些力量之间的平衡的变化,影响整个摩擦系统的响应。 In fact, stick-slip motion is not possible for incommensurate contacts. When the initial incommensurate contact is transformed into a pinned commensurate state, we anticipate that the resulting metastable state, which locks the Pt cluster in that commensurate configuration, will correspond to stick-slip motion during sliding. We have checked the Pt cluster position during sliding on the graphite surface. Despite the Pt cluster being continuously dragged at a constant velocity during each molecular dynamics (MD) step, which causes a certain displacement in position, these metastable transitions are not explicitly evident in the position changes due to limitations in the time scale. However, the stick-slip motion of the Pt cluster shows that the Pt cluster rearranges in locally commensurate configuration during sliding as previously stated in (金姆和福尔克,2009年)。此外,之前锁定的主要立场转变Pt集群,整个系统可以使突然转换中可用的亚稳状态取决于这些国家之间的能量势垒的势能表面。这些突然的发生转变,导致最终锁定到一个本地相称的状态,表现为突然的变化在不同的滑动摩擦力,为确诊图2。虽然系统的初始配置是不相称的,某些不适应环境的角度,这些亚稳状态的存在可以驱动系统的接触潜在的能源格局。因为我们的模拟方法是准静态,它不能获取所需的时间尺度来分析可能的亚稳态之间的转换配置下的势能表面Pt集群。因此,这些转换的时间尺度是短时间尺度相比位置变化的Pt集群。系统遵循当地的表面势能极小值在这些转换。结果,过渡到一个相称的接触配置导致的发生粘滑运动运动在外加负载。

此外,尽管微弱的范德华相互作用的界面,在本地的或不适应的状态仍然可以形成在滑动平面应变的结果。这些国家甚至可以诱发局部结构变形(他et al ., 2022年)。

检查的变化μ不相称的,相称的接触在不同负载下,我们计算μ通过的时间平均在模拟摩擦力。我们的研究结果表明,摩擦系数μ相比低不相称的Pt cluster-graphite接触的接触,描绘在吗图3。这个观察是一致的与先前的研究大部分同行(Ozoğul et al ., 2017)。摩擦系数为0.2和0.08的最大负载值0.5 nN /原子相称和不相称的联系,分别。不相称的接触可以表现出摩擦系数低至0.02,高于最近石墨(碳量子点马et al ., 2017)。观察到的摩擦系数之间的线性关系和应用加载意味着应用负载的变化导致摩擦力的变化成比例。这种一致的反应表明这两个变量之间的线性相关性。摩擦系数之间的线性关系和应用负载可以是物理上解释的接触Pt粒子之间的相互作用和石墨的表面。当应用系统上的负载增加时,它影响的性质和程度两个表面之间的接触。应用负载的增加,Pt粒子经历更高的压缩力,导致一个更大的接触面积,增加了石墨表面原子间相互作用。Pt集群之间的接触面积增加,石墨表面导致更多的界面债券和较强的粘附力。这可以归因于减少Pt集群和石墨之间的距离,促进更紧密的原子相互作用。因此,摩擦力作用于Pt粒子也会增加。类似的行为一直在观察CN_x薄膜(冰斗et al ., 2020)。此外,在相应的联系人,摩擦系数μ高而不相称的联系,表明强登记Pt与底部石墨原子原子在相称的接触。

结构不稳定通常是不明显的小原子表面微凸体,主要由接触面积的影响。因为只有这样关键的联系尺寸已经达到集群,否则,可能出现不相称的接触的接触很容易发展成为一些AFM实验证实了原子表面微凸体(Guerra et al ., 2016;Trillitzsch et al ., 2018;他et al ., 2022年)。证据确凿的,更大的Pt集群,模拟集群相比,在这项研究中,证明高摩擦部队石墨相比,非盟粒子(Ozoğul et al ., 2017)。

比较不相称的行为和相应的联系人,我们还进行了模拟Pt集群是拖在与石墨表面的接触。相称的接触,摩擦力粘滑运动行为的不同的值在正常负载图4。作为工党集群仍然固定在Pt集群之间形成的势能极小值和石墨表面,弹簧力逐渐变得越来越强的Pt集群进一步继续下滑。这个弹簧力的挤压变得僵硬,Pt集群不再幻灯片顺利而跳跃到下一个最小值上的势能表面,导致不连续滑动。因此这些陡峭的跳跃发生在摩擦力和粘滑运动资料图4。

随着负载的增加从170年20 nN nN,摩擦力也会增加顺利。这个结果证实,Pt集群没有显示single-asperity接触行为,也认为在(烹调的菜肴和罗宾斯,2005)由于当地联系粗糙度。摩擦力的变化高度峰值表明工党集群成为固定在不同深度的势能表面滑动路径。这将发生由于粗糙度或起皱的潜在能源格局在当地的联系人。

确认相称的势阱深度之间的差异和不相称的联系人,我们计算每个原子势能变化(ΔE/原子)在滑动。初始状态为Δ作为参考E/原子,对应于势能起皱,并提供洞察表面的粘附在零负荷和平衡距离。20神经网络负载下,不相称的联系展品更高的势能变化比相称的联系(图5一个)。这种差异在势能变化解释了把Pt集群的亚稳状态,导致粘滑运动运动在滑动尽管初始几何不匹配。不同距离Pt集群和石墨在滑动,随着边缘原子的弹性变形,可能导致观察到的粘滑运动行为。

势阱也高达0.2兆电子伏,更深和更广泛的不相称的接触比相称的接触中所示图5 a, B。这些障碍也表明的立场Pt集群跳过这些能量壁垒不滑动。由于增加了负载不显著影响势阱山庄,消除superlubricity Pt集群与石墨之间的主要来源于当地Pt集群和石墨之间的势能干硬后。superlubricity由于当地的亚稳状态的损失可以阻碍集群有一个更大的半径,所示(马et al ., 2015)。这将从固定superlubric条件一旦集群规模变大,足以容纳的自然方向不匹配,导致界面不能通约。一般来说,关键尺寸厚度相关,小厚集群,和更大的单层(Guerra et al ., 2016)。更大的集群可以经验较少的边缘效应,也可以消除superlubricity (范Wijk et al ., 2013)。弹性变形的底物可以进一步取消superlubricity因此影响摩擦。因为我们已经考虑大部分石墨作为衬底,弹性变形的基质不能导致总摩擦。因此根据当地势能起皱,Pt集群仍在相称的接触,具有类似的行为也观察到在Si和Kr集群铜(111)(Reguzzoni Righi, 2012)。

检查集群大小的滑动行为的影响,我们进行了模拟与一个更大的Pt集群在石墨表面测量半径20所示补充数据S1, S2。有趣的是,即使有一个更大的集群,我们观察到的损失superlubric滑动负载170 nN应用时所示补充图S3。这一发现与实验观察一致,只有Pt板或明显增大Pt集群(平均100海里)能够顺利滑动,由实验和原子模拟研究(Ozoğul et al ., 2017)。从这些结果,我们推断的几何不能通约的Pt集群基质主要是由集群的大小决定的,假设cluster-substrate交互与Pt (111) surface-graphite系统保持一致。

4讨论

我们的仿真设置检查Pt集群之间的摩擦力,在不同的负载条件下石墨相称和不相称的联系人。superlubricity的概念,两个表面相互滑动的摩擦力,是特别感兴趣的。当外加负载零(L = 0 nN),我们的系统表现出近superlubric行为,没有明显的摩擦力。这是由于最小范德瓦尔斯力出席平衡Pt集群和石墨表面之间的距离。然而,我们观察到,Pt集群和石墨不能维持superlubric状态,即使在最初不相称的联系人。这主要是由于Pt的地方把集群在石墨表面,受规模和应用负载的影响。因此,粘滑运动行为观察,表明结构难以捉摸的损失。类似的观察已报告在其他系统中,比如Kr岛屿和Si集群,表面微凸体的大小也会导致superlubricity分解(Reguzzoni Righi, 2012)。

这些发现强调了挑战与维护结构润滑性Pt cluster-graphite系统和强调维持的重要性不相称的接触。摩擦行为明显受到外加负载力量的影响,导致从一个不相称的过渡到一个相称的状态。这一观点强调了加载力的不利影响摩擦属性。这表明不相称的状态可能不是真正的不相称的而是过渡到相应的状态。理解这些机制是至关重要的为未来的研究旨在保护不相称的联系,实现superlubric纳米系统的行为。这些见解为基本在固体界面摩擦行为的理解和对先进的润滑系统的设计产生影响和纳米设备。

总之,这项研究提供了有价值的见解Pt cluster-graphite结构不稳定系统的故障并提出我们对摩擦行为在纳米尺度上的理解。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步的调查可以针对相应的作者。

作者的贡献

SC所做的仿真计算。如果准备了所有模拟输入和分析数据。如果写的论文。数据绘制了SC。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

这项工作是支持的伊斯坦布尔Medeniyet大学科研项目办公室的项目没有。FB169。年代。

确认

Sİ承认所有医生和护士的专用工作期间COVID-19大流行。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fmech.2023.1211072/full补充材料

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