Correlation between load and stacking structure of superlubricity at Van der Waals layered structure / nanocarbon molecules interface

范德华层状结构/纳米碳分子界面超润滑载荷与堆积结构的相关性

基本信息

批准号：
21H01747
负责人：
佐々木成朗
金额：
$ 7.24万
依托单位：
The University of Electro-Communications
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01747/
关键词：
超潤滑フラーレングラフェン接触分子シミュレーション

项目摘要

分子力学シミュレーションを用いて、グラフェン/C60/グラフェン積層界面の滑り過程の荷重依存性を、最大静摩擦力（最大水平力）と動摩擦力（平均水平力）の変化として調べた。分子力学法には、我々のグループで開発したTersoffポテンシャル-拡張LJポテンシャル複合モデルにもとづくエネルギー極小化の手法を用いた。封入C60分子の配向を変えて圧縮および滑り摩擦の分子力学シミュレーションを行った。(1) 圧縮特性：AB積層構造（C60の六員環をグラフェンシートに向けた配向）と、OT積層構造（C60の単一の炭素原子をグラフェンシートに向けた配向）でグラフェン/C60/グラフェン界面の安定構造を計算したところ、グラフェン-グラフェン間距離はAB積層構造では1.31 nm, OT積層構造では1.32 nmとなった。次に圧縮時の有効硬さ解析から、界面の硬さを支配する因子が分子配向によって異なることが判明した。つまり全系の硬さを決定する因子は、AB積層構造では荷重によらず常に相互作用由来の硬さ成分だが、 OT積層構造では荷重の増加に伴い、相互作用由来の硬さ成分からC60由来の硬さ成分へ移行した。(2) 摩擦特性：低荷重領域での平均水平力の荷重依存性から、各積層構造で動摩擦係数が著しく変化し、封入C60の分子配向が摩擦特性に極めて大きな影響を与えることが判明した。整合性の良い走査方向へのAB積層構造の場合、アモントン・クーロン則（摩擦が荷重に比例する）は、低荷重領域(平均荷重<Fz> < 1 nN)では成立するが、高荷重領域では破綻することが分かった。本解析から、グラフェン/C60/グラフェン界面の摩擦・超潤滑特性が封入C60の分子配向に強く依存し、界面の構造設計が薄膜の圧縮特性や摩擦・超潤滑特性の制御に極めて重要であることが示された。

利用分子力学模拟，我们研究了石墨烯/C60/石墨烯叠层界面滑动过程的载荷依赖性，即最大静摩擦力（最大水平力）和动摩擦力（平均水平力）的变化。对于分子力学方法，我们使用了基于我们小组开发的Tersoff势扩展LJ势复合模型的能量最小化方法。通过改变封装的 C60 分子的方向进行压缩和滑动摩擦的分子力学模拟。（1）压缩性能：AB堆叠结构（C60的六元环朝向石墨烯片的取向）和OT堆叠结构（C60的单个碳原子朝向石墨烯片的取向），当界面稳定结构为经计算，AB堆叠结构的石墨烯到石墨烯的距离为1.31 nm，OT堆叠结构的石墨烯到石墨烯的距离为1.32 nm。接下来，对压缩过程中的有效硬度进行分析表明，控制界面硬度的因素因分子取向而异。换句话说，决定整个系统硬度的因素是由相互作用导出的硬度分量，而与AB层压结构中的载荷无关，但随着OT层压结构中载荷的增加，由相互作用导出的硬度分量源自 C60 的硬度成分的变化。 (2)摩擦性能：从低载荷区域平均水平力的载荷依赖性发现，各叠层结构的动摩擦系数变化显着，并且包封的C60的分子取向有极大的影响关于摩擦特性。对于扫描方向上对齐良好的 AB 堆叠结构，阿蒙顿-库仑定律（摩擦力与载荷成正比）在低载荷区域（平均载荷 <Fz> < 1 nN）成立，但在我知道它会破产。该分析表明，石墨烯/C60/石墨烯界面的摩擦和超润滑性能很大程度上取决于封装的C60的分子取向，并且界面的结构设计对于控制石墨烯/C60/石墨烯界面的压缩性能以及摩擦和超润滑性能极其重要。显示了薄膜。