Более подробно о нанотехнологических разработках для автомобильной промышленности будет рассказано в следующей главе.
Говоря о чисто конструкционных задачах в наноинженерии поверхности, следует отметить работы, проведенные сотрудниками Университета Райс (США). Лауреат Нобелевской премии профессор Ричард Смолли и Маттео Паскуали (Matteo Pasquali) в процессе целенаправленных исследований сделали определенный шаг вперед в направлении создания условий для самоорганизации (самосборки) нанотрубок в упорядоченную высокопрочную структуру (рис. 63).
Они установили, что, например, серная кислота способна воздействовать на поведение нанотрубок, а также жидких кристаллов в растворах таким образом, что они могут выстраиваться в более сложные, но изначально заданные (запрограммированные) структуры.
Рис. 63. Самоорганизация нанотрубок в упорядоченную высокопрочную структуру: F — внешняя нагрузка
Данными исследованиями уже заинтересовались вооруженные силы США, которые рассчитывают использовать материалы на основе упорядоченных нанотрубок для создания сверхпрочных пластмасс. Эти высокопрочные пластмассы могут быть успешно использованы для создания сверхлегких, но достаточно прочных летательных аппаратов, космической, автомобильной и другой военной техники.
По прогнозам ученых, в будущем наноинженерия будет осуществляться на специальных (крупных или портативных) нанофабриках с помощью нанороботов непосредственно из атомов или молекул.
В настоящее время такая идея кажется полной фантастикой, но кто бы мог подумать всего пятьдесят лет назад о возможности изготовления и повсеместного применения персонального компьютера (типа ноутбука), кроме самых смелых ученых в данной области. Что же тогда говорить о более отдаленном периоде времени.
Некоторые аспекты нанотрибологии
Трение — удивительный феномен природы! Оно подарило человеку тепло и огонь… возможность записать человеческий голос, услышать звуки скрипки и многое другое.
Д. Н. Гаркунов, доктор технических наук, профессор
Нанонаука и нанотехнология стали наиболее востребованными и престижными в последнее десятилетие, однако исследования в нанохимии и нанофизике ведутся уже около полувека, а ряд наноматериалов известен еще с древности. Уместно привести шутку одного из английских физиков, известного ученого в области микроэлектроники и сенсорных устройств, который сказал, что ученые «очень давно занимаются “этими штуками”, но только недавно им сказали, что это наночастицы». В примере истинно английского юмора содержится большая доля истины.
Трибология изучает контактное взаимодействие твердых тел при их относительном движении, включая комплекс вопросов трения, изнашивания, смазки и самоорганизации. При этом следует отметить тот факт, что практически все вопросы трибологии связаны с изучением процессов, протекающих в поверхностном слое (межфазной границе) контактируемых деталей, толщина которых составляет от нескольких миллиметров до нанометрического атомного уровня.
При трении поверхностей деталей друг с другом, как при их смазывании (жидкостное и граничное трение), так и при его полном отсутствии (сухое трение) в зоне контакта происходит изменение их макроструктурного и наноструктурного строения, следствием которого является износ и разрушение трущихся поверхностей деталей.
Трение долгое время воспринималось как явление, приводящее к большим материальным потерям в экономике всего мира. Известно, что больше половины топлива, потребляемого автомобилями, тракторами, тепловозами и другими видами транспорта, расходуется на преодоление сопротивления, создаваемого трением в трущихся соединениях. Например, в текстильном производстве на преодоление сопротивления трения затрачивается около 80 % потребляемой электрической энергии. Низкие коэффициенты полезного действия большинства устройств обусловлены, главным образом, потерями на трение. КПД глобоидного редуктора, устанавливаемого в лифтах, металлорежущем оборудовании, шахтных подъемниках и др. даже и после приработки составляет только 0,65-0,70, а в такой распространенной паре, как винт-гайка, и того меньше: лишь 0,25.
Именно по причине нулевого КПД в 1775 году Французская академия наук приняла официальное решение об отказе рассматривать какие бы то ни было проекты «перпетуум-мобиле» — вечного двигателя, за более чем семьдесят лет до открытия закона сохранения энергии, со следующим объяснением: «Построение перпетуум-мобиле абсолютно невозможно. Если бы даже трение и сопротивление среды в течение длительного времени не смогли уничтожить двигательной силы, то эта сила могла бы произвести только эффект, равный причине… Если бы можно было пренебречь трением и сопротивлением среды, то тело, приведенное в движение, могло бы оставаться в движении, но не оказывать воздействие на другие тела, и «перпетуум-мобиле», который получился бы в этом гипотетическом случае (что в природе невозможно), был бы абсолютно бесполезен.».
Многие непонятные для своего времени явления с развитием нанонауки получили научное обоснование и дальнейшее практическое развитие. То, что трение является неравновесным термодинамическим процессом, было известно давно, но только в последние годы установлено, что при глубокой неравновесности и нелинейности возможна самоорганизация и образование при трении особых наноразмерных структур с уникальными трибологическими свойствами. Таким образом, выявилась возможность работы при более совершенной системе, чем трение при граничной смазке.
Открытие избирательного переноса (ИП) при трении, или так называемого эффекта безызносности, сделанное советскими учеными Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским в 1956 году, позволило изменить сложившееся представление о механизме изнашивания и трения, но многие явления, характерные для него, оставались необъяснимой загадкой.
Совместное использование теоретических положений и практических достижений нанотехнологии позволяет объяснить многие протекающие при таком трении процессы и использовать его не как разрушительное явление природы, а как самоорганизующийся созидательный процесс, в том числе для безразборного восстановления агрегатов и узлов техники в процессе их непрерывной эксплуатации.
Гаркуновым и Крагельским было обнаружено неизвестное ранее явление самопроизвольного образования тонкой пленки меди в парах трения бронза-сталь деталей самолетов в условиях смазывания их спиртоглицериновой средой и консистентной смазкой ЦИАТИМ-201. Особенностью эффекта было то, что пленка покрывала не только бронзовую деталь, но и сопряженную с ней стальную поверхность. При этом образовавшаяся тончайшая медная пленка снижала износ и уменьшала силу трения в десять раз и более. Явление было названо избирательным переносом металла при трении (ИП), или «эффектом безызносности».
Как уже отмечалось, учеными было установлено, что особенностью процесса является образование так называемой сервовитной пленки толщиной около 100 нм, способной в десятки раз снизить потери на трение и интенсивность изнашивания трущихся соединений машин и механизмов.
В дальнейшем при анализе условий работы и трущихся поверхностей деталей поршневого компрессора бытового холодильника было обнаружено аналогичное явление в паре трения сталь-сталь. В данном случае это являлось следствием растворения масло-фреоновой смесью медных трубок охладителя, находящихся на значительном удалении от зоны трения.
Сущность ИП, согласно обнаруженному явлению, заключается в том, «.что при трении медных сплавов о сталь в условиях граничной смазки, исключающей окисление меди, происходит явление избирательного переноса меди из твердого раствора медного сплава на сталь и обратного ее переноса со стали на медный сплав, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения до жидкостного и приводящее к значительному снижению износа пары трения.». Это явление первоначально было названо «атомарным переносом». Позднее, в 1968 году, ИП был определен как «.вид фрикционного взаимодействия, характеризуемый молекулярной составляющей силы трения. ИП возникает в результате протекания на поверхности контактирующих тел химических и физических процессов, приводящих к образованию самоорганизующихся систем автокомпенсации износа и снижения коэффициента трения. Для этого явления наиболее характерно образование защитной (сервовитной) пленки, в которой реализуется особый механизм деформации, протекающий без накопления дефектов, свойственных усталостным процессам». Название «сервовитная» происходит от латинского servo vitte — спасать жизнь, что подразумевает предотвращение трущихся поверхностей от изнашивания.
Обнаружив необычное явление, но, не имея в то время необходимого инструментального оборудования, ученые не смогли в полной мере объяснить физическую сущность процесса и разработать теоретические аспекты прогнозирования условий, при которых возникает и протекает «эффект безызносности».
Проведенные в последнее время исследования указывают на то, что реальная толщина такой пленки не превышает 1000 А (100 нм), то есть данное явление с полной уверенностью можно отнести к проявлению нелинейных эффектов в наномире. Это незначительное уточнение позволяет объяснить многие процессы избирательного переноса при трении с позиций современной нанонауки и практически реализовать «эффект безызносности» трущихся поверхностей (не только медьсодержащих) с использованием последних достижений нанотехнологии.
Обращаясь за примерами к живой природе, можно обнаружить, что подобные соединения, обладающие высокой самоорганизацией процессов (а вследствие этого практически полной безызносностью), уже давно существуют. Суставы живых организмов десятки лет действуют на принципах, к которым современная наука только приближается, создавая так называемые интеллектуальные самонастраивающиеся подвижные соединения.
Строение сустава живого существа и пары трения бронза-сталь в условиях ИП достаточно близки (рис. 64). В суставе также работают два мягких хряща, покрывающих костную ткань и разделенных полимерной, можно сказать «сервовитной», пленкой. В качестве смазывающей среды выступает синовиальная жидкость.