Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота

Вступ. Встановлення закономірностей взаємодії мікроконтактів в інтерфейсі тертя, утвореного двома рухомими тілами, є важливим кроком для створення нових класів матеріалів з визначеними фізико-хімічними властивостями. При відносному русі взаємодіючих поверхонь неминуче відбувається зношування їх конт...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Наука та інновації
Дата:	2019
Автори:	Васько, А.А., Марченко, А.А., Наумовець, А.Г., Браун, О.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2019
Теми:	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174053
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота / А.А. Васько, А.А. Марченко, А.Г. Наумовець, О.М. Браун // Наука та інновації. — 2019. — Т. 15, № 4. — С. 70-77. — Бібліогр.: 18 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-174053
record_format	dspace
spelling	Васько, А.А. Марченко, А.А. Наумовець, А.Г. Браун, О.М. 2020-12-30T18:33:47Z 2020-12-30T18:33:47Z 2019 Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота / А.А. Васько, А.А. Марченко, А.Г. Наумовець, О.М. Браун // Наука та інновації. — 2019. — Т. 15, № 4. — С. 70-77. — Бібліогр.: 18 назв. — укр. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin15.04.070 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174053 Вступ. Встановлення закономірностей взаємодії мікроконтактів в інтерфейсі тертя, утвореного двома рухомими тілами, є важливим кроком для створення нових класів матеріалів з визначеними фізико-хімічними властивостями. При відносному русі взаємодіючих поверхонь неминуче відбувається зношування їх контактуючих ділянок (мікроконтактів), в результаті чого в iнтерфейсi тертя виникають уламки, спричиненi руйнуванням бiльш еластичного матерiалу. Проблематика. Ступінь руйнування інтерфейсу суттєво зменшується при додаванні мастильних плівок в місці контакту. Якщо за умов сухого тертя (без мастила) аналіз місця контакту є практично вирішеною задачею (модель контактної взаємодії Герца, Джонсона-Кендала-Робертса), то при наявності мастила ця задача істотно ускладнюється через необхідність врахування фактору реологічної складової тертя та фактору інтерфейсної взаємодії. Окрім того, переважну більшість трибологічних досліджень виконано на недосконалих (шорстких) поверхнях з використанням мастильних плівок з невизначеними компонентним складом, товщиною і структурою. Мета. Встановлення впливу структури самовпорядкування моношарових плівок на їх трибологічні властивості в інтерфейсі тертя n-алкан/атомно-гладка поверхня. Матеріали й методи. Використано атомно-гладкі поверхні золота та однокомпонентні змащувальні моношаро ві плівки n-алканів (CnH2n+2, n = 14, 16, 48, 50, 60). Для встановлення структури самовпорядкування плівок на поверхні золота і контролю ступеню їх руйнування до і після трибологічних вимірювань застосовано сканувальну тунельну мікроскопію. Кiнетичний коефiцiєнт тертя μko інтерфейсів виміряно за допомогою магнітного левітаційного три бометра. Результати. Експериментально встановлено немонотонну залежнiсть коефiцiєнта тертя μko вiд довжини молекул змащувальних плівок. Висновки. Встановлено, що для n-алканів з «магічною довжиною» (n кратне 16) μko аномально зменшується. Introduction. The establishment of regularities of the microcontact interaction in the friction interface formed by two moving bodies is an important step towards the creation of new classes of materials with predefined physicochemical properties. The relative motion of interacting surfaces inevitably results in wearing contact areas (microcontacts) of these surfaces, that is, it leads to the formation of pieces that are caused by destruction of more elastic material. Problem Statement. The destruction of the interface decreases significantly by applying lubricant films to the contact area. In the case of dry friction (no lubricant), the description of the contact area is a practically solved problem (the Hertz and the Johnson-Kendal-Roberts contact theories), while the presence of lubricant complicates it, i.e., one should consider the rheological component of friction and the interaction of interfaces. In addition, the overwhelming majority of tribological studies were carried out using imperfect (rough) surfaces and lubricant films with uncertain component composition, thickness, and structure. Purpose. To establish the influence of the structure of self-assembling n-alkanes monolayers on their tribological properties in the frictional interface. Materials and Methods. The atomically flat surface of gold and one-component monolayer films of n-alkanes (CnH2n+2, n = 14, 16, 48, 50, 60) are used as materials. The scanning tunneling microscopy method is used to establish the structure of self-assembled monolayers on the gold surface as well as to control stability of monolayers before and after the tribological measurements. The kinetic coefficient of friction μko of interfaces have been studied using a magnetic levitation tribometer. Results. The nonmonotonic dependence of kinetic friction coefficient μko on the length of n-alkane molecule has been experimentally established. Conclusions. The kinetic friction coefficient μko has been established to abnormally decrease for the n-alkanes with “magic length” (n times 16). Введение. Установление закономерностей взаимодействия микроконтактов в интерфейсе трения, образованного двумя подвижными телами, является важным шагом для создания новых классов материалов с определенными физико-химическими свойствами. При относительном движении взаимодействующих поверхностей неизбежно происходит износ их контактирующих участков (микроконтактов), в результате чего в интерфейсе трения возникают обломки, вызванные разрушением более эластичного материала. Проблематика. Степень разрушения интерфейса существенно уменьшается при добавлении смазочных пленок в область контакта. Если в условиях сухого трения (без смазки) описание места контакта является практически решенным заданием (модель контактного взаимодействия Герца, Джонсона-Кендалла-Робертса), то при наличии смазки эта за дача существенно усложняется из-за необходимости определения фактора реологической компоненты трения и фактора интерфейсного взаимодействия. Кроме того, подавляющее большинство трибологических исследований вы полнено на несовершенных (шероховатых) поверхностях с использованием смазочных пленок с неопределенными компонентным составом, толщиной и структурой. Цель. Установление влияния структуры самоупорядочения монослойных пленок на их трибологических свойства в интерфейсе трения n-алкан/атомно-гладкая поверхность. Материалы и методы. Использованы атомно-гладкие поверхности золота и однокомпонентные смазочные монослойные пленки n-алканов (CnH2n+2, n = 14, 16, 48, 50, 60). Для установления структуры самоупорядочения пленок на поверхности золота и контроля степени их разрушения до и после трибологических измерений использовано сканирующую туннельную микроскопию. Кинетический коэффициент трения μko интерфейсов измерено с помощью магнитного левитационного трибометр. Результаты. Экспериментально установлено немонотонную зависимость коэффициента трения μko от длины мо лекул смазочных пленок. Выводы. Установлено, что для n-алканов с «магической длиной» (n кратно 16) μko аномально уменьшается. Роботу виконано в рамках проекту № П15/18-26 «Розробка системи вимірювання трибологічних характеристик надтонких плівок». uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Наука та інновації Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота Studying the Tribological Properties of n-alkanes Monolayer Films on Atomic Flat Surface of Gold Исследование трибологических свойств монослойных пленок n-алканов на атомно-гладкой поверхности золота Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота
spellingShingle	Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота Васько, А.А. Марченко, А.А. Наумовець, А.Г. Браун, О.М. Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
title_short	Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота
title_full	Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота
title_fullStr	Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота
title_full_unstemmed	Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота
title_sort	дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота
author	Васько, А.А. Марченко, А.А. Наумовець, А.Г. Браун, О.М.
author_facet	Васько, А.А. Марченко, А.А. Наумовець, А.Г. Браун, О.М.
topic	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
topic_facet	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
publishDate	2019
language	Ukrainian
container_title	Наука та інновації
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format	Article
title_alt	Studying the Tribological Properties of n-alkanes Monolayer Films on Atomic Flat Surface of Gold Исследование трибологических свойств монослойных пленок n-алканов на атомно-гладкой поверхности золота
description	Вступ. Встановлення закономірностей взаємодії мікроконтактів в інтерфейсі тертя, утвореного двома рухомими тілами, є важливим кроком для створення нових класів матеріалів з визначеними фізико-хімічними властивостями. При відносному русі взаємодіючих поверхонь неминуче відбувається зношування їх контактуючих ділянок (мікроконтактів), в результаті чого в iнтерфейсi тертя виникають уламки, спричиненi руйнуванням бiльш еластичного матерiалу. Проблематика. Ступінь руйнування інтерфейсу суттєво зменшується при додаванні мастильних плівок в місці контакту. Якщо за умов сухого тертя (без мастила) аналіз місця контакту є практично вирішеною задачею (модель контактної взаємодії Герца, Джонсона-Кендала-Робертса), то при наявності мастила ця задача істотно ускладнюється через необхідність врахування фактору реологічної складової тертя та фактору інтерфейсної взаємодії. Окрім того, переважну більшість трибологічних досліджень виконано на недосконалих (шорстких) поверхнях з використанням мастильних плівок з невизначеними компонентним складом, товщиною і структурою. Мета. Встановлення впливу структури самовпорядкування моношарових плівок на їх трибологічні властивості в інтерфейсі тертя n-алкан/атомно-гладка поверхня. Матеріали й методи. Використано атомно-гладкі поверхні золота та однокомпонентні змащувальні моношаро ві плівки n-алканів (CnH2n+2, n = 14, 16, 48, 50, 60). Для встановлення структури самовпорядкування плівок на поверхні золота і контролю ступеню їх руйнування до і після трибологічних вимірювань застосовано сканувальну тунельну мікроскопію. Кiнетичний коефiцiєнт тертя μko інтерфейсів виміряно за допомогою магнітного левітаційного три бометра. Результати. Експериментально встановлено немонотонну залежнiсть коефiцiєнта тертя μko вiд довжини молекул змащувальних плівок. Висновки. Встановлено, що для n-алканів з «магічною довжиною» (n кратне 16) μko аномально зменшується. Introduction. The establishment of regularities of the microcontact interaction in the friction interface formed by two moving bodies is an important step towards the creation of new classes of materials with predefined physicochemical properties. The relative motion of interacting surfaces inevitably results in wearing contact areas (microcontacts) of these surfaces, that is, it leads to the formation of pieces that are caused by destruction of more elastic material. Problem Statement. The destruction of the interface decreases significantly by applying lubricant films to the contact area. In the case of dry friction (no lubricant), the description of the contact area is a practically solved problem (the Hertz and the Johnson-Kendal-Roberts contact theories), while the presence of lubricant complicates it, i.e., one should consider the rheological component of friction and the interaction of interfaces. In addition, the overwhelming majority of tribological studies were carried out using imperfect (rough) surfaces and lubricant films with uncertain component composition, thickness, and structure. Purpose. To establish the influence of the structure of self-assembling n-alkanes monolayers on their tribological properties in the frictional interface. Materials and Methods. The atomically flat surface of gold and one-component monolayer films of n-alkanes (CnH2n+2, n = 14, 16, 48, 50, 60) are used as materials. The scanning tunneling microscopy method is used to establish the structure of self-assembled monolayers on the gold surface as well as to control stability of monolayers before and after the tribological measurements. The kinetic coefficient of friction μko of interfaces have been studied using a magnetic levitation tribometer. Results. The nonmonotonic dependence of kinetic friction coefficient μko on the length of n-alkane molecule has been experimentally established. Conclusions. The kinetic friction coefficient μko has been established to abnormally decrease for the n-alkanes with “magic length” (n times 16). Введение. Установление закономерностей взаимодействия микроконтактов в интерфейсе трения, образованного двумя подвижными телами, является важным шагом для создания новых классов материалов с определенными физико-химическими свойствами. При относительном движении взаимодействующих поверхностей неизбежно происходит износ их контактирующих участков (микроконтактов), в результате чего в интерфейсе трения возникают обломки, вызванные разрушением более эластичного материала. Проблематика. Степень разрушения интерфейса существенно уменьшается при добавлении смазочных пленок в область контакта. Если в условиях сухого трения (без смазки) описание места контакта является практически решенным заданием (модель контактного взаимодействия Герца, Джонсона-Кендалла-Робертса), то при наличии смазки эта за дача существенно усложняется из-за необходимости определения фактора реологической компоненты трения и фактора интерфейсного взаимодействия. Кроме того, подавляющее большинство трибологических исследований вы полнено на несовершенных (шероховатых) поверхностях с использованием смазочных пленок с неопределенными компонентным составом, толщиной и структурой. Цель. Установление влияния структуры самоупорядочения монослойных пленок на их трибологических свойства в интерфейсе трения n-алкан/атомно-гладкая поверхность. Материалы и методы. Использованы атомно-гладкие поверхности золота и однокомпонентные смазочные монослойные пленки n-алканов (CnH2n+2, n = 14, 16, 48, 50, 60). Для установления структуры самоупорядочения пленок на поверхности золота и контроля степени их разрушения до и после трибологических измерений использовано сканирующую туннельную микроскопию. Кинетический коэффициент трения μko интерфейсов измерено с помощью магнитного левитационного трибометр. Результаты. Экспериментально установлено немонотонную зависимость коэффициента трения μko от длины мо лекул смазочных пленок. Выводы. Установлено, что для n-алканов с «магической длиной» (n кратно 16) μko аномально уменьшается.
issn	1815-2066
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/174053
citation_txt	Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота / А.А. Васько, А.А. Марченко, А.Г. Наумовець, О.М. Браун // Наука та інновації. — 2019. — Т. 15, № 4. — С. 70-77. — Бібліогр.: 18 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT vasʹkoaa doslídžennâtribologíčnihvlastivosteimonošarovihplívoknalkanívnaatomnogladkíipoverhnízolota AT marčenkoaa doslídžennâtribologíčnihvlastivosteimonošarovihplívoknalkanívnaatomnogladkíipoverhnízolota AT naumovecʹag doslídžennâtribologíčnihvlastivosteimonošarovihplívoknalkanívnaatomnogladkíipoverhnízolota AT braunom doslídžennâtribologíčnihvlastivosteimonošarovihplívoknalkanívnaatomnogladkíipoverhnízolota AT vasʹkoaa studyingthetribologicalpropertiesofnalkanesmonolayerfilmsonatomicflatsurfaceofgold AT marčenkoaa studyingthetribologicalpropertiesofnalkanesmonolayerfilmsonatomicflatsurfaceofgold AT naumovecʹag studyingthetribologicalpropertiesofnalkanesmonolayerfilmsonatomicflatsurfaceofgold AT braunom studyingthetribologicalpropertiesofnalkanesmonolayerfilmsonatomicflatsurfaceofgold AT vasʹkoaa issledovanietribologičeskihsvoistvmonosloinyhplenoknalkanovnaatomnogladkoipoverhnostizolota AT marčenkoaa issledovanietribologičeskihsvoistvmonosloinyhplenoknalkanovnaatomnogladkoipoverhnostizolota AT naumovecʹag issledovanietribologičeskihsvoistvmonosloinyhplenoknalkanovnaatomnogladkoipoverhnostizolota AT braunom issledovanietribologičeskihsvoistvmonosloinyhplenoknalkanovnaatomnogladkoipoverhnostizolota
first_indexed	2025-11-26T01:44:28Z
last_indexed	2025-11-26T01:44:28Z
_version_	1850606001011556352
fulltext	70 А.А. Васько, А.А. Марченко, А.Г. Наумовець, О.М. Браун Iнститут фiзики НАН України, просп. Науки, 46, Київ, 03680, Украина, +380 44 525 1220, +380 44 525 1589, artem.vasko@ukr.net ДОСЛІДЖЕННЯ ТРИБОЛОГІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МОНОШАРОВИХ ПЛІВОК n-АЛКАНІВ НА АТОМНО-ГЛАДКІЙ ПОВЕРХНІ ЗОЛОТА © ВАСЬКО А.А., МАРЧЕНКО А.А., НАУМОВЕЦЬ А.Г., БРАУН О.М., 2019 Вступ. Встановлення закономірностей взаємодії мікроконтактів в інтерфейсі тертя, утвореного двома рухоми- ми тілами, є важливим кроком для створення нових класів матеріалів з визначеними фізико-хімічними властивостя- ми. При відносному русі взаємодіючих поверхонь неминуче відбувається зношування їх контактуючих ділянок (мік- роконтактів), в результаті чого в iнтерфейсi тертя виникають уламки, спричиненi руйнуванням бiльш еластичного матерiалу. Проблематика. Ступінь руйнування інтерфейсу суттєво зменшується при додаванні мастильних плівок в місці контакту. Якщо за умов сухого тертя (без мастила) аналіз місця контакту є практично вирішеною задачею (модель контактної взаємодії Герца, Джонсона-Кендала-Робертса), то при наявності мастила ця задача істотно ускладню- ється через необхідність врахування фактору реологічної складової тертя та фактору інтерфейсної взаємодії. Окрім того, переважну більшість трибологічних досліджень виконано на недосконалих (шорстких) поверхнях з використан- ням мастильних плівок з невизначеними компонентним складом, товщиною і структурою. Мета. Встановлення впливу структури самовпорядкування моношарових плівок на їх трибологічні властивості в інтерфейсі тертя n-алкан/атомно-гладка поверхня. Матеріали й методи. Використано атомно-гладкі поверхні золота та однокомпонентні змащувальні моноша- ро ві плівки n-алканів (C n H 2n+2 , n = 14, 16, 48, 50, 60). Для встановлення структури самовпорядкування плівок на по- верхні золота і контролю ступеню їх руйнування до і після трибологічних вимірювань застосовано сканувальну ту- нельну мікроскопію. Кiнетичний коефiцiєнт тертя μko інтерфейсів виміряно за допомогою магнітного левітаційного три бометра. Результати. Експериментально встановлено немонотонну залежнiсть коефiцiєнта тертя μko вiд довжини моле- кул змащувальних плівок. Висновки. Встановлено, що для n-алканів з «магічною довжиною» (n кратне 16) μko аномально зменшується. К л ю ч о в і с л о в а: коефіцієнт тертя, атомно-гладкі поверхні, моношарові плівки n-алканів, сила тертя. ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15(4), 70—77 https://doi.org/10.15407/scin15.04.070 Встановлення закономірностей взаємодії мікроконтактів в інтерфейсі тертя, утвореного двома рухомими тілами, є важливим кроком для створення нових класів матеріалів з ви- значеними фізико-хімічними властивостями [1, 2]. При відносному русі взаємодіючих по- верхонь неминуче відбувається зношування їх контактуючих ділянок (мікроконтактів), в ре- зультаті чого в iнтерфесi тертя виникають уламки [3], спричиненi руйнуванням бiльш еластичного матерiалу. Численнi експеримен- ти демонструють, що сила тертя за таких об- ставин не є постiйною i змiнюється залежно вiд попередньої взаємодiї мiкроконтактiв (ста- рiння кон тактiв) [4—6]. Загальновідомо, що ступінь руйнування ін- терфейсу суттєво зменшується при додаванні ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомно-гладкій поверхні золота 71 мастильних плівок в площину контакту. Як- що за умов сухого тертя (без мастила) аналіз місця контакту є практично вирішеною зада- чею (контактна взаємодія Герца, Джонсона- Кендала-Робертса), то при наявності мастила ця задача істотно ускладнюється через необ- хідність врахування фактора реологічної скла- дової тертя та фактора інтерфейсної взаємодії [7]. Окрім того, переважну більшість триболо- гічних досліджень виконано на недосконалих (шорстких) поверхнях з використанням мас- тильних плівок з невизначеними компонент- ним складом, товщиною і структурою впоряд- кування. Саме це унеможливлювало визначен- ня впливу кожного з факторів окремо. Ниж че- наведені дослідження вперше виконували на атомно-гладких поверхнях, вкритих упоряд- кованими моношаровими плівками із встанов- леним компонентним складом [8, 9] та прог- нозованою зміною їх трибологiчних власти- востей [7, 9—11]. З метою ідентифікації появи дефектів на атомарному рівні та встановлення неруйнів- них режимів досліджень тертя при визначених навантаженнях було використано скануваль- ну, фрикцiйну та атомно-силову мікроскопії [12—14]. Однак такі методи не спроможні пов- ністю описати трибологічні властивості мас- тильних плівок на атомно-гладких поверхнях [3, 7]. Саме тому зазначені дослідження по- т ре бують створення спеціальних експеримен- тальних умов та приладів для вимірювання тертя [15]. В роботі запропоновано принципово новий неруйнівний метод дослідження інтерфейсу тертя мастило/поверхня за допомогою магніт- ного левітаційного трибометра (МЛТ). Як мастильний матеріал використано моношаро- ві плівки n-алканів (СnH2n+2), адсорбовані на атомно-гладку поверхню золота. Структуру мо- ношарів контролювали за допомогою скану- вального тунельного мікроскопа (СТМ) з мо- лекулярним розділенням до та після триболо- гічних досліджень для уникнення руйнівних режимів МЛТ-вимірювань. Моношарові плівки n-алканів (СnH2n+2, n = 14, 16, 48, 50, 60) наносили шляхом осад- ження з розчинів, підігрітих до ~40 °С. Як роз- чинник використано n-тетрадекан (C14H30, C14). Кон центрації розчинів підбирали експери- ментальним шляхом так, що, після повного осад жен ня досліджуваних молекул на атомно- гладку поверхню золота, формувався моно- шар. Структуру моношарів досліджували ме- тодом СТМ на інтерфейсі рідина/тверде тіло лабораторно модифікованим комерційним СТМ (NT-MDT, Росія). МАГНІТНИЙ ЛЕВІТАЦІЙНИЙ ТРИБОМЕТР Блок-схему експериментальної установки для вимірювання коефіцієнтів тертя між дво- ма твердими матеріалами наведено на рис. 1. Метод дослідження тертя докладно описано в [15]. Левітаційний трибометр складається з двох основних елементів: стрижнеподібного маятника, з двома магнітами на ньому, та маг- нітної подушки під ним. Магніти забезпечу- ють зависання маятника, на кінці якого роз- міщено металеву кульку. Досліджуваний зра- зок закріплюють на вертикальному тримачі перед кулькою. В ході вимірювань маятник виводиться з положення рівноваги і колива- ється навколо своєї осі із затухаючою амплі- тудою. Кутове відхилення маятника реєстру- ється як функція часу (t). Коефіцієнт тертя μko визначають за кривою затухання коливань маятника. Сила притискання кульки контролюється кутом нахилу опорної поверхні маятника  до горизонту. Стан поверхні в місці контакту до і Кулька Магніти Моношар CnH2n + 2   Рис. 1. Блок-схема магнітного левітаційного трибометра Підкладка S N S N S N S N ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) А.А. Васько, А.А. Марченко, А.Г. Наумовець, О.М. Браун 72 після МЛТ-вимірювань перевіряли за допо- могою оптичної та СТМ мікроскопії. САМОУПОРЯДКУВАННЯ МОЛЕКУЛ n-АЛКАНIВ НА АТОМНО-ГЛАДКIЙ ПОВЕРХНI ЗОЛОТА Самоупорядкування молекул n-алканiв на атомно-гладкiй поверхнi золота СТМ-дослiдження самоупорядкованих мо- ношарових плiвок гомологiчного ряду n-ал ка- нiв (CnH2n+2) описано в роботах [8, 9, 16, 17]. Вказано, що молекули утворюють ламеле по дiб- ну структуру. На рис. 2 наведено СТМ-зоб ра- ження моношару пентаконтану (C50H102), адсор- бованого на атомно-гладкiй поверхнi золота. Вiдстань мiж головними осями сусiднiх мо- лекул в адсорбованому моношарi (рис. 2) ста- новить ~5 Å [18], а моношар розтягується пiд- кладкою в напрямку <112>. Незважаючи на взаємне притягання, молекули зберiгають свої адсорбцiйнi положення, що вказує на домi ну- вання адгезійної взаємодiї (молекула/пiд клад- ка) над латеральною (молекула/молекула). По- передньо встановлено, що n-алкани завжди ад сорбуються в кожну другу борозенку. Це до- зволяє розглядати поверхню золота як систему паралельних борозенок з періодом 3ТAu = 5 Å. МОДЕЛЬ СУМIРНОСТI ПЕРIОДIВ МОЛЕКУЛИ АЛКАНУ ТА АТОМIВ ПОВЕРХНI ЗОЛОТА У роботах [9, 17] показано, що взаємодія мо- лекул n-алканів з поверхнею золота залежить вiд їх довжини. Розрахунки амплiтуд сил ков- зання Fs показали, що для «магiчних довжин» n-алканiв (n кратне 16 ) значення Fs є аномаль- но низьким. Саме тому, молекули з магічною довжиною ковзають вздовж адсорбцiй них борозенок майже безбар’єрно. Це теоретичне припущення було пiдтверджено експеримен- тально за допомогою МЛТ-вимiрювань. Вста- новлено, що коефiцiєнт тертя μko немонотонно залежить вiд довжини алкану (кiлькостi CH2- груп в ланцюзi молекули). Основнi положення запропонованої одно- ви мiрної моделi сумiрностi перiодiв алкiль- но го лацюга та атомiв поверхнi золота вздовж напрямку <110> охарактеризовано нижче. На рис. 3 схематично зображено зигзагоподiбний скелет алкiльного ланцюга, що складається з i-тих атомiв карбону, та поверхню золота, що подана у виглядi j-тих атомiв. Головна вiсь мо- лекули проходить паралельно кристало гра фiч- ному напрямку <110> поверхнi золота. Модель базується на таких припущеннях: молекула n-алкану є жорстким скелетом ато- мів карбону (рис. 3); підкладка золота визна- чається як періодичне розташування атомів вздовж напрямку <110>; взаємодія молекули з підкладкою описується потенціалом Лен нар- да-Джонса під час її руху вздовж адсорбційної Рис. 2. СТМ-зображення моношару молекул пентакон- тану (C50H102) на атомно-гладкій поверхні золота. <110> та <112> позначено напрямки поверхні золота, вздовж яких розташовуються головні осі молекул C50H102 та формується ламель Рис. 3. Схематичне зображення алкiльного ланцюга (-CH2-)n, адсорбованого на поверхнi пiдкладки золота (111). Перiод сумiрностi алкiльного ланцюга та атомiв золота вздовж напрямку <110> складає T = 19,5 Å, що вiдповiдає 17-ти атомам карбону та 8-ми атомам золота. Масштаб рисунка вздовж напрямку <110> витримано j i Au 8 1 17 <110>2,88Å 2,51Å Т = 19,5Å Б орозенка Б орозенка < 112> < 112> Л ам ель Л ам ель 7 7 ×× 7 nm 7 nm22 5 5 ÅÅ <110> <110> ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомно-гладкій поверхні золота 73 борозенки (напрямок <110>); впливом атомів водню в алкільному ланцюзі знехтувано. Сила ковзання Fs(x) вираховується з по- тенцiалу Леннарда-Джонса як результат пiд- сумовування сил f<110>ij [17]. Водночас f<110>ij описує взаємодiю мiж i-атомом молекули n-алкану та j-атомом поверхні золота в нап- рямку <110> (рис. 3). Розташування 1-го й 8-го атомiв золота (Au) вiдповiдає 1-й та 17-й -CH2-групі алкiльного ланцюга з похибкою ~2 %. Отже, на 7 перiодiв атомiв золота припадає 8 перiодiв алкiльного ланцюга. Перiод сумiрностi Tc для такої систе- ми [9] можна представити як Tc = , (1) де Tal — період алкільного ланцюга, TAu — пері- од кристалічної ґратки золота. За умови Tal = 2,51 Å, TAu = 2,88 Å, Tc дорiвнює 19,5 Å. Отримана величина є промiжним зна- ченням мiж довжиною n-гексадекану, С16, та n-гептадекану, С17 (~19,05 та ~20,3 Å вiдпо- вiдно) [9]. ТРИБОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ СИСТЕМИ СТАЛЕВА КУЛЬКА/N-АЛКАН/ЗОЛОТО Результати вимiрювання коефiцiєнтiв тертя трибопари сталева кулька/n-алкан/поверхня золота проілюстровано на рис. 4. Нормальне навантаження кульки на моношарову плiвку дорiвнює 0,049 Н. Радіус контакту r0 кульки з поверхнею золота (без мастила) отримано за допомогою оптичного методу (r0 = 1,0 × 10—5 м). Це значення r0 було використано при розра- хунку коефіцієнтів тертя. Для врахування можливих пошкоджень по- верхні золота сталевою кулькою виконано вимiрювання коефiцiєнтiв тертя трибологiч- них пар сталева кулька/слюда (μko = 0,17) та сталева кулька/золото (μko = 0,34). Поверхню зразка, що досліджувався, додатково перевi- рено на наявнiсть дефектiв за допомогою оп- тичного мiкроскопа та СТМ до та пiсля МЛТ- експериментiв. Результати такої пере вiрки показали вiдсутнiсть будь-яких пошкоджень поверхонь зразкiв. Кiнетичний коефiцiєнт тертя μko повинен лiнiйно залежати вiд довжини молекули n-ал- кану. Однак, як показали результати експери- ментів, ця залежність не є лінійною. Для дов- жин n-алканiв, що кратнi n = 16 атомам карбо- ну, коефiцiєнт тертя виявився суттєво змен- шеним. Для молекул С16 та С48 μko дорівнює 5 10 15 С16 20 25 30 С14 С48 С50 С60 0,5 0,4 0,2 0,1 0,3 0 0,6 Рис. 4. Зміна коефiцiєнтiв тертя μko() для трибологічних пар сталева кулька/n-алкан/поверхня золота , секунди μ ko Рис. 5. Залежнiсть коефiцiєнта тертя μko вiд довжини молекули n-алкану. Експериментальнi данi (точки) та теоретична крива, розрахована з потенціалу Леннарда- Джонса 100 20 30 n, кількість атомів карбону 40 50 60 70 0,5 0,4 0,2 0,1 0,3 0,6 0,7 0,8 μ ko Tal · TAu \|Tal — TAu\| ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) А.А. Васько, А.А. Марченко, А.Г. Наумовець, О.М. Браун 74 0,17, тоді як для найближ чих сусiдiв С14 та С50 він становив 0,2 та 0,22 вiдповiдно. На рис. 5 зображено немонотонну залеж- нiсть μko вiд кiлькостi n атомiв карбону в лан- цюзi молекули n-алкану. Емпiричну залежнiсть кое фiцiєнта тертя μko можна записати як μko ~ —cos , (2) де — частота, з якою змінюється коефі ці- єнт тертя, L — довжина молекули n-алкану. От- риманий результат корелює з моделлю су мiр- ностi перiодiв Tal молекули алкану та атомiв пiдкладки золота TAu, наведеній у [9, 10, 16]. Отже, за допомогою магнiтного ле вiта цiй но- го трибометра дослiджено трибо ло гiчнi влас- тивостi iнтерфейсу n-алкан (n = 14, 16, 48, 50, 60)/поверхня золота та експериментально пiд- тверджено, що для алканiв з «ма гiч ною дов- жиною» (n кратне 16) коефіцієнт μko є ано- мально зменшеним. Отриманий результат доб- ре узгоджується з теоретичним припущенням, отриманим з моделі сумірності періодів мiж алкiльним ланцюгом (2,51 Å) та мiж атомною вiдстанню золота (2,88 Å) у напрямку <110> . Роботу виконано в рамках проеку № П15/18-26 «Розробка системи вимірювання трибологіч- них характеристик надтонких плівок». СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Polyakov B., Vlassov S., Dorogin L.M., Novoselska N., Butikova J., Antsov M., Oras S., Lohmus R., Kink I. Some as pects of formation and tribological properties of silver nanodumbbells. Nanoscale Research Letters. 2014.V. 9, no. 186. P. 1—8. https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-186 2. Polyakov B., Vlassov S., Dorogin L., Butikova J., Smits K., Antsov M., Oras S., Zabels R., Lohmus R. Metal nano- dumbbells for nanomanipulations and tribological experiments. Physica Scripta. 2015. V. 90, no. 9. P. 094007(1—7). https:// doi.org/10.1088/0031-8949/90/9/094007 3. Denape J. Third body concept and wear particle behavior in dry friction sliding conditions. Key Engineering Mate- rials. 2015. V. 640, P. 1—12. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.640.1 4. Persson B.N.J. Sliding Friction: Physical Principles and Applications. Berlin, Springer-Verlag, 1998. 5. Persson B.N.J. Sliding friction. Surf. Sci. Rep. 1999. V. 33, no. 3. P. 83—119. https://doi.org/10.1016/S0167-5729(98) 00009-0 6. Persson B.N.J. Theory of friction: Stress domains, relaxation, and creep. Phys. Rev. 1995. V. B 51, no. 19. P. 13568— 13585. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.51.13568 7. Vakis A.I., Yastrebov V.A., Scheibert J., Nicola L., Dini D., Minfray C., Almqvist A., Paggi M., Lee S., Limbert G., Molinari J. F., Anciaux G., Echeverri Restrepo S., Papangelo A., Cammarata A., Nicolini P., Aghababaei R., Putignano C., Stupkiewicz S., Lengiewicz J., Costagliola G., Bosia F., Guarino R., Pugno N. M., Carbone G., M ser M. H., Ciavarella M. Modeling and Simulation in Tribology Across Scales: an Overview. Trib. Int. 2018. V. 125. P. 169—199. https://doi.org/ 10.1016/j.triboint.2018.02.005 8. Askadskaya L., Rabe J.P. Anisotropic molecular dynamics in the vicinity of order-disorder transitions in organic monolayers. Phys. Rev. Lett. 1992. V. 69, no. 9. P. 1395—2002. 9. Marchenko O., Cousty J. Molecule length-induced reentrant self-organization of alkanes in monolayers adsorbed on Au(111). Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84, no. 23. P. 5363—5366. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.69.1395 10. Marchenko A., Cousty J., Pham-Van L. Magic Length Effects in the Packing of n-Alkanes Adsorbed on Au(111). Langmuir. 2002. V. 18. P. 1171—1175. https://doi.org/10.1021/la010827m 11. Vasko A.A., Kutsenko V.Ye., Marchenko A.A., Braun O.M. Lowering of friction in monolayers of mixed alkanes. Tribol. Lett. 2019. V. 67, no. 49. P. 1—7. https://doi.org/10.1007/s11249-019-1163-x 12. Binnig G., Quate C. F., Gerber C. Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett. 1986. V. 56, no. 9. P. 930—934. https:// doi.org/10.1103/PhysRevLett.56.930 13. Mate C. M., McClelland G. M., Erlandsson R., Chang S. Atomic-scale friction of a tungsten tip on a graphite surface. Phys. Rev. Lett. 1987. V. 59, no. 17. P. 1942—1945. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.59.1942 14. Bhushan B. Handbook of Micro/Nanotribology. CRC, Boca Raton, Florida, 1998. 880 p. 15. Vasko A.A., Braun O.M., Marchenko O.A., Naumovets A.G. Magnetic levitation tribometer: a point-contact friction. Tribol. Lett. 2018. V. 66, no. 74. P. 1—5. https://doi.org/10.1007/s11249-018-1024-z 2 T L( ) 2 T 2 T L( ) ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомно-гладкій поверхні золота 75 16. MCGonigal G.C., Bernhard R.H., Thomson D.J. Imaging alkane layers at the liquid/graphite interface with the scanning tunneling microscope. Appl. Phys. Lett. 1990. V. 57, no. 1. P. 28—30. https://doi.org/10.1063/1.104234 17. Marchenko A., Lukyanets S., Cousty J. Adsorption of alkanes on Au(111): Possible origin of STM contrast at the liquid/solid interface. Phys. Rev. 2002. V. B 65, no. 4. P. 04514(1—5). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.045414 18. Denicolo I., Doucet J., Craievich A.F. X-ray study of the rotator phase of paraffins (III): Even-numbered paraffins C18H38, C20H42, C22H46, C24H50, and C26H54. J. Chem. Phys. 1983. V. 78, no. 3. P. 1465—1469. https://doi.org/10.1063/1.444835 Стаття надійшла до редакції 04.12.18 Статтю прорецензовано 28.02.19 Статтю підписано до друку 01.03.19 REFERENCES 1. Polyakov, B., Vlassov, S., Dorogin, L. M., Novoselska, N., Butikova, J., Antsov, M., Oras, S., Lohmus, R., Kink, I. (2014). Some aspects of formation and tribological properties of silver nanodumbbells. Nanoscale Research Letters, 9, 186, 1—8. https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-186 2. Polyakov, B., Vlassov, S., Dorogin, L., Butikova, J., Smits, K., Antsov, M., Oras, S., Zabels, R., Lohmus, R. (2015). Metal nanodumbbells for nanomanipulations and tribological experiments. Physica Scripta, 90(9), 094007(1—7). https:// doi.org/10.1088/0031-8949/90/9/094007 3. Denape, J. (2015). Third body concept and wear particle behavior in dry friction sliding conditions. Key Enginee ring Materials, 640, 1—12. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.640.1 4. Persson, B. N. J. (1998). Sliding Friction: Physical Principles and Applications. Berlin, Springer-Verlag, 1998. 5. Persson, B. N. J. (1999). Sliding friction. Surf. Sci. Rep., 33(3), 83—119. https://doi.org/10.1016/S0167-5729(98) 00009-0 6. Persson, B. N. J. (1995). Theory of friction: Stress domains, relaxation, and creep. Phys. Rev., B 51(19), 13568—13585. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.51.13568 7. Vakis, A. I., Yastrebov, V. A., Scheibert, J., Nicola, L., Dini, D., Minfray, C., Almqvist, A., Paggi, M., Lee, S., Limbert, G., Molinari, J. F., Anciaux, G., Echeverri Restrepo, S., Papangelo, A., Cammarata, A., Nicolini, P., Aghababaei, R., Putignano, C., Stupkiewicz, S., Lengiewicz, J., Costagliola, G., Bosia, F., Guarino, R., Pugno, N. M., Carbone, G., M ser, M. H., Ciavarella, M. (2018). Modeling and Simulation in Tribology Across Scales: an Overview. Trib. Int., 125, 169—199. https://doi.org/10.1016/ j.triboint.2018.02.005 8. Askadskaya, L., Rabe, J. P. (1992). Anisotropic molecular dynamics in the vicinity of order-disorder transitions in or ganic monolayers. Phys. Rev. Lett., 69(9), 1395—2002. 9. Marchenko, O., Cousty, J. (2000). Molecule length-induced reentrant self-organization of alkanes in monolayers adsorbed on Au(111). Phys. Rev. Lett., 84(23), 5363—5366. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.69.1395 10. Marchenko, A., Cousty, J., Pham-Van, L. (2002). Magic Length Effects in the Packing of n-Alkanes Adsorbed on Au(111). Langmuir, 18, 1171—1175. https://doi.org/10.1021/la010827m 11. Vasko, A. A., Kutsenko, V. Ye., Marchenko, A. A., Braun, O. M. (2019). Lowering of friction in monolayers of mixed alkanes. Tribol. Lett., 67(49), 1—7. https://doi.org/10.1007/s11249-019-1163-x 12. Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. (1986). Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett., 56(9), 930—934. https://doi. org/10.1103/PhysRevLett.56.930 13. Mate, C. M., McClelland, G. M., Erlandsson, R., Chang, S. (1987). Atomic-scale friction of a tungsten tip on a graphite surface. Phys. Rev. Lett., 59(17), 1942—1945. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.59.1942 14. Bhushan B. Handbook of Micro / Nanotribology. CRC, Boca Raton, Florida. 1998. 880pp. 15. Vasko, A. A., Braun, O. M., Marchenko, O. A., Naumovets, A. G. (2018). Magnetic levitation tribometer: a point- contact friction. Tribol. Lett., 66(74), 1—5. https://doi.org/10.1007/s11249-018-1024-z 16. MCGonigal, G.C., Bernhard, R.H., Thomson, D.J. (1990). Imaging alkane layers at the liquid/graphite interface with the scanning tunneling microscope. Appl. Phys. Lett., 57(1), 28-30. https://doi.org/10.1063/1.104234 17. Marchenko, A., Lukyanets, S., Cousty, J. (2002). Adsorption of alkanes on Au(111): Possible origin of STM contrast at the liquid/solid interface. Phys. Rev., B 65(4), 04514(1—5). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.045414 18. Denicolo, I., Doucet, J., Craievich, A. F. (1983). X-ray study of the rotator phase of paraffins (III): Even-numbered paraffins C18H38, C20H42, C22H46, C24H50, and C26H54. J. Chem. Phys., 78(3), 1465—1469. https://doi.org/10.1063/1.444835 Received 04.12.18 Revised 28.02.19 Accepted 01.03.19 ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) А.А. Васько, А.А. Марченко, А.Г. Наумовець, О.М. Браун 76 Vasko, A.A., Marchenko, A.A., Naumovets, A.G., and Braun, O.M. Institute of Physics of the NAS of Ukraine, 46, Nauki Ave., Kyiv, 03680, Ukraine, +380 44 525 1220, +380 44 525 1589 artem.vasko@ukr.net STUDY OF THE TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF n-ALKANES MONOLAYER FILMS ON ATOMICALLY FLAT SURFACE OF GOLD Introduction. The establishment of regularities of the microcontact interaction in the friction interface formed by two moving bodies is an important step towards the creation of new classes of materials with predefined physicochemical proper- ties. The relative motion of interacting surfaces inevitably results in wearing contact areas (microcontacts) of these surfaces, that is, it leads to the formation of pieces that are caused by destruction of more elastic material. Problem Statement. The destruction of the interface decreases significantly by applying lubricant films to the contact area. In the case of dry friction (no lubricant), the description of the contact area is a practically solved problem (the Hertz and the Johnson-Kendal-Roberts contact theories), while the presence of lubricant complicates it, i.e., one should consider the rheological component of friction and the interaction of interfaces. In addition, the overwhelming majority of tribologi- cal studies were carried out using imperfect (rough) surfaces and lubricant films with uncertain component composition, thickness, and structure. Purpose. To establish the influence of the structure of self-assembling n-alkanes monolayers on their tribological prop- erties in the frictional interface. Materials and Methods. The atomically flat surface of gold and one-component monolayer films of n-alkanes (CnH2n+2, n = 14, 16, 48, 50, 60) are used as materials. The scanning tunneling microscopy method is used to establish the structure of self-assembled monolayers on the gold surface as well as to control stability of monolayers before and after the tribological measurements. The kinetic coefficient of friction μko of interfaces have been studied using a magnetic levitation tribometer. Results. The nonmonotonic dependence of kinetic friction coefficient μko on the length of n-alkane molecule has been experimentally established. Conclusions. The kinetic friction coefficient μko has been established to abnormally decrease for the n-alkanes with “magic length” (n times 16). Keywords: coefficient of friction, atomically flat surfaces, monolayer films of n-alkanes, and friction force. А.А. Васько, А.А. Марченко, А.Г. Наумовец, О.М. Браун Институт физики НАН Украины, просп. Науки, 46, Киев, 03680, Украина, +380 44 525 1220, +380 44 525 1589 artem.vasko@ukr.net ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОНОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК N-АЛКАНОВ НА АТОМНО-ГЛАДКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЗОЛОТА Введение. Установление закономерностей взаимодействия микроконтактов в интерфейсе трения, образованно- го двумя подвижными телами, является важным шагом для создания новых классов материалов с определенными физико-химическими свойствами. При относительном движении взаимодействующих поверхностей неизбежно про- исходит износ их контактирующих участков (микроконтактов), в результате чего в интерфейсе трения возникают обломки, вызванные разрушением более эластичного материала. Проблематика. Степень разрушения интерфейса существенно уменьшается при добавлении смазочных пленок в область контакта. Если в условиях сухого трения (без смазки) описание места контакта является практически ре- шенным заданием (модель контактного взаимодействия Герца, Джонсона-Кендалла-Робертса), то при наличии смаз- ки эта за дача существенно усложняется из-за необходимости определения фактора реологической компоненты тре- ния и фактора интерфейсного взаимодействия. Кроме того, подавляющее большинство трибологических исследо- ваний вы полнено на несовершенных (шероховатых) поверхностях с использованием смазочных пленок с неопределенными компонентным составом, толщиной и структурой. ISSN 1815-2066. Nauka innov., 2019, 15 (4) Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомно-гладкій поверхні золота 77 Цель. Установление влияния структуры самоупорядочения монослойных пленок на их трибологических свойст- ва в интерфейсе трения n-алкан/атомно-гладкая поверхность. Материалы и методы. Использованы атомно-гладкие поверхности золота и однокомпонентные смазочные мо- нослойные пленки n-алканов (CnH2n+2, n = 14, 16, 48, 50, 60). Для установления структуры самоупорядочения пленок на поверхности золота и контроля степени их разрушения до и после трибологических измерений использовано ска- нирующую туннельную микроскопию. Кинетический коэффициент трения μko интерфейсов измерено с помощью магнитного левитационного трибометр. Результаты. Экспериментально установлено немонотонную зависимость коэффициента трения μko от длины мо лекул смазочных пленок. Выводы. Установлено, что для n-алканов с «магической длиной» (n кратно 16) μko аномально уменьшается. Ключевые слова: коэффициент трения, атомно-гладкие поверхности, монослойные пленки n-алканов, сила трения.

Дослідження трибологічних властивостей моношарових плівок n-алканів на атомногладкій поверхні золота

Репозитарії

Схожі ресурси