Влияние шероховатости алмазных поверхностей на поведение ультратонкой пленки воды, заключенной между ними
Представлены результаты моделирования методом молекулярной динамики ультратонкой пленки воды, сжатой между абсолютно жесткими алмазными пластинами с периодическим рельефом атомарного масштаба. Рассмотрены пленки толщиной в один и два молекулярных диаметра, для молекул воды использовалась TIP4P модел...
Saved in:
| Published in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2009
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69152 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние шероховатости алмазных поверхностей на поведение ультратонкой пленки воды, заключенной между ними / А.В. Хоменко, Н.В. Проданов // Физика и техника высоких давлений. — 2009. — Т. 19, № 1. — С. 123-133. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859765339084029952 |
|---|---|
| author | Хоменко, А.В. Проданов, Н.В. |
| author_facet | Хоменко, А.В. Проданов, Н.В. |
| citation_txt | Влияние шероховатости алмазных поверхностей на поведение ультратонкой пленки воды, заключенной между ними / А.В. Хоменко, Н.В. Проданов // Физика и техника высоких давлений. — 2009. — Т. 19, № 1. — С. 123-133. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Представлены результаты моделирования методом молекулярной динамики ультратонкой пленки воды, сжатой между абсолютно жесткими алмазными пластинами с периодическим рельефом атомарного масштаба. Рассмотрены пленки толщиной в один и два молекулярных диаметра, для молекул воды использовалась TIP4P модель. Изучены равновесные и динамические характеристики системы в зависимости от внешней нагрузки (давления на поверхности) и силы сдвига. Проведено сравнение результатов моделирования систем с гладкими и шероховатыми поверхностями. Показано, что периодический рельеф атомарного масштаба качественно не влияет на большинство изученных свойств системы.
Представлено результати моделювання методом молекулярної динаміки (МД) ультратонкої плівки води, стиснутої між абсолютно жорсткими алмазними пластинами з періодичним рельєфом атомарного масштабу. Розглянуто плівки завтовшки в один і два молекулярні діаметри, для молекул води використовувалася TIP4P модель. Вивчено рівноважні і динамічні характеристики системи залежно від зовнішнього навантаження (тиск на поверхні) і сили зрушення. Проведено порівняння результатів моделювання систем з гладкими і шорсткими поверхнями. Показано, що періодичний рельєф атомарного масштабу якісно не впливає на більшість вивчених властивостей системи.
Molecular dynamics simulations of ultrathin water film confined between absolutely rigid diamond plates with periodic atomic-scale relief are described. Films with thickness of one and two molecular diameters are concerned and TIP4P model is used for water molecules. Dynamical and equilibrium characteristics of the system for different values of the external load (pressure on the surfaces) and shear force are investigated. The comparison of results of the modeling for systems with flat and rough surfaces is carried out. It is shown that periodic atomic-scale relief does not influence qualitatively the majority of the studied properties of the system.
|
| first_indexed | 2025-12-02T05:26:03Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
123
PACS: 61.20.Ja, 61.20.Ne, 61.30.Hn, 68.35.Af
А.В. Хоменко, Н.В. Проданов
ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ АЛМАЗНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
НА ПОВЕДЕНИЕ УЛЬТРАТОНКОЙ ПЛЕНКИ ВОДЫ,
ЗАКЛЮЧЕННОЙ МЕЖДУ НИМИ
Сумский государственный университет
ул. Римского-Корсакова, 2, г. Сумы, 240007, Украина
E-mail: prodk@rambler.ru
Представлены результаты моделирования методом молекулярной динамики (МД)
ультратонкой пленки воды, сжатой между абсолютно жесткими алмазными
пластинами с периодическим рельефом атомарного масштаба. Рассмотрены
пленки толщиной в один и два молекулярных диаметра, для молекул воды использо-
валась TIP4P модель. Изучены равновесные и динамические характеристики сис-
темы в зависимости от внешней нагрузки (давления на поверхности) и силы сдви-
га. Проведено сравнение результатов моделирования систем с гладкими и шерохо-
ватыми поверхностями. Показано, что периодический рельеф атомарного мас-
штаба качественно не влияет на большинство изученных свойств системы.
1. Введение
Пленка жидкости, сжатая между двумя твердыми поверхностями и
имеющая толщину в несколько атомарных диаметров, называется граничной
смазкой. При изучении трения она представляет особый интерес, который
вызван как необычными свойствами подобных систем, так и их практиче-
ской значимостью в функционировании микро- и макромашин с подвижны-
ми частями [1–4].
Одним из распространенных методов исследования граничной смазки яв-
ляется компьютерное МД-моделирование. В работе [6] проведено компью-
терное МД-моделирование ультратонкой пленки воды, заключенной между
абсолютно жесткими атомарно-плоскими алмазными поверхностями. Ис-
пользована TIP4P модель молекул воды, в которой принято приближение
абсолютной жесткости молекул [7]. Изучены равновесные и динамические
характеристики системы в зависимости от толщины пленки, внешней на-
грузки (давления на поверхности) и силы сдвига. Показано, что при повы-
шении нагрузки наблюдается переход ультратонкой пленки воды в твердо-
подобное состояние, проявляющийся в уменьшении коэффициента диффу-
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
124
зии и, для большинства случаев, в образовании упорядоченных конфигура-
ций молекул, в частности квазидискретных слоев молекул. Для пленки воды
толщиной в два молекулярных диаметра выявлена тенденция к образованию
упорядоченной структуры в плоскости слоев при высоких нагрузках. Изме-
нение среднего по времени значения кинетической силы трения при измене-
нии нагрузки удовлетворяет модели «булыжной мостовой» [2] в приближе-
нии преобладания адгезионных взаимодействий. Полученные при модели-
ровании зависимости сдвиговых напряжений от нагрузки проявляют сходст-
во с экспериментальными результатами для простых сферических молекул.
При некоторых значениях параметров системы временные зависимости си-
лы трения имеют пилообразный вид, который может свидетельствовать о
наличии режима прилипания-скольжения (stick-slip).
В данной работе представлены результаты МД-моделирования описанной
системы в случае, когда алмазные поверхности являются не атомарно-
плоскими, а имеют периодический рельеф атомарного размера. Цель иссле-
дования – изучение влияния шероховатости поверхностей на поведение
ультратонкой пленки воды и сравнение с результатами для атомарно-
плоских пластин.
2. Модель
Моделирование проводили для плоской геометрии Куэтта, напоминаю-
щей экспериментальные системы, исследуемые с помощью аппарата по-
верхностных сил (АПС). Рассматривали ультратонкую пленку воды, ограни-
ченную двумя твердыми стенками с периодическими граничными условия-
ми в плоскости пластин, примененными как к жидкости, так и к поверхно-
стям. Каждая стенка состоит из 1008 атомов углерода, образующих две (001)
кристаллические поверхности с алмазной решеткой. Шероховатость (перио-
дический рельеф) обеспечивали удалением 144 атомов, находящихся непо-
средственно на поверхности атомарно-плоских пластин. Исследовали плен-
ки воды толщиной в один и два молекулярных диаметра между атомарно-
шероховатыми поверхностями. Один слой молекул в начале моделирования
содержит 14 × 14 = 196 молекул. На рис. 1 представлены начальные конфи-
гурации системы для исследуемых пленок.
а б
Рис. 1. Конфигурации исследуемой системы в начале моделирования для пленки
воды, сжатой между атомарно-шероховатыми поверхностями и состоящей из одно-
го (а) и двух (б) слоев молекул
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
125
Для визуализации атомов использовали эмпирические значения их кова-
лентных радиусов, которые для углерода, кислорода и водорода составляют
соответственно 77, 73 и 37 pm (1 pm = 10–12 m), постоянная решетки алмаза
равна 356.68 pm [8]. Молекулы воды в начале моделирования размещали в
вершинах кубической решетки с постоянной решетки, отвечающей значе-
нию 1048 kg/m3 плотности воды, близкому к объемному (при нормальных
условиях) значению 1000 kg/m3. При этом молекулярная ориентация прини-
мает случайные значения, угловая и линейная скорости каждой молекулы
имеют величины, зависимые от температуры, и случайно выбранное на-
правление. Начальное расстояние (щель) между поверхностями для одного
слоя составляет 0.31 nm, для двух слоев – 0.62 nm. Горизонтальные размеры
ячейки моделирования вдоль осей х и у одинаковы и составляют 4.28 nm.
Для имитации экспериментов моделирование проводили при постоянных
значениях температуры и нагрузки, приложенной к стенкам. Температуру
(298 K) поддерживали постоянной методом наложения ограничения [5,7], а
нагрузку моделировали приложением постоянной силы L к каждому атому
плоскостей вдоль оси z. Сдвиг также имитировали приложением постоянной
горизонтальной силы FS к каждому атому верхней поверхности вдоль оси х,
соответствующей направлению [010], и в данной работе использовали алго-
ритм постоянной сдвигающей силы [9].
Молекулы воды считаются абсолютно жесткими, и для них применяется
модель TIP4P [7]. Она основана на четырех центрах, расположенных в одной
плоскости. Два из них (обозначенные как М и О) связаны с ядром кислоро-
да, другие два (Н) – с ядрами водорода. Энергия взаимодействия между
двумя молекулами i и j состоит из двойной суммы по всем центрам обеих
молекул:
12 6
k l kl kl
ij
klk i l j kl kl
q q A Cu
r r r∈ ∈
⎛ ⎞
= + −⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠
∑∑ , (1)
где kl k l= −r r r , kl klr ≡ r . Заряды имеют значения: qH = 0.52e, qO = 0, qM = – 2qH,
где e = 1.9·10–19 C. Параметры леннард-джонсовской (ЛД) части потенциала,
действующей только между О-центрами, имеют значения: AOO ≡ A =
= 2.510·10–3 nm12·J/mol, COO ≡ C = 2.552 nm6·J/mol.
В расчетах используются безразмерные величины. Единица измерения
длины σ = (А/C)1/6 = 0.315 nm, единица энергии ε = A/(4σ12) = 0.689 kJ/mol,
единица измерения времени равна 2 /t m= σ ε ≈ 5.253·10–12 s, за единицу
измерения массы принимаем массу молекулы воды m = 2.987·10–26 kg. Также
определяем единицу измерения заряда, в которой qH = 1. Поскольку единица
измерения энергии соответствует ε/kB = 78.2 K, типичная температура 298 K
равна 3.8 в безразмерном виде. Использовавшийся временной шаг имел зна-
чение Δt = 0.0005, в размерных единицах это составляет 152.627 10−⋅ s.
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
126
Учитывали взаимодействия атомов поверхностей только с центром О мо-
лекулы воды. Потенциал имеет ЛД-вид
12 6
CO CO
CO4
,
0,
ij ij iju r r
⎧ ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞σ σ⎪ ⎢ ⎥ε −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥= ⎨ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦⎪
⎪⎩
(2)
где первое равенство выполняется при rij < rc, а второе – при rij ≥ rc; rc = 2.38 nm
(или 0.75 nm в размерном виде) – расстояние отсечки. Экспериментально
установлено, что алмаз имеет высокую гидрофильность [10]. В эксперимен-
тах отмечалось, что слюда также гидрофильна. Для имитации этих условий
в модели использовали следующие значения величин: εCO = 2, σCO = 0.86,
отвечающих вдвое большему притяжению молекул воды к атомам углерода,
чем друг к другу.
В моделировании фигурируют классические уравнения движения. Ввиду
абсолютной жесткости поверхностей рассматривали движение их центра
масс. Для верхней стенки уравнения имеют вид
x S pMX F F N= + ,
yMY F= , (3)
z pMZ F LN= + ,
где X, Y, Z – координаты центра масс верхней пластины; Np – количество
атомов стенки; M = NpmC – масса поверхности; mC = 0.67 – масса атома угле-
рода; Fx, Fy, Fz – компоненты результирующей силы, действующей на по-
верхность со стороны воды. Для нижней стенки уравнения движения имеют
аналогичный (3) вид, только в первом уравнении отсутствует имеющееся в
правой части (3) второе слагаемое, отражающее сдвиговую силу.
Уравнения поступательного движения (без учета слагаемого, отвечающе-
го за поддержание постоянной температуры) для центра массы i-й молекулы
имеют вид
i ij ik
j k
= +∑ ∑r F f , (4)
где ij
j
∑F – сила, действующая со стороны всех атомов углерода, находя-
щихся от данной молекулы на расстоянии, меньшем rc, и определяющаяся
аналогично силе для поверхностей; ik
k
∑ f – сила, действующая на i-ю моле-
кулу со стороны других молекул, находящихся от данной не далее расстоя-
ния rс. Вращательное движение молекул описывается уравнениями, выра-
женными через гамильтоновы кватернионы [7].
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
127
Уравнения движения как для координат центров масс пластин и молекул,
так и для кватернионов интегрировали с использованием алгоритма предик-
тор-корректор четвертого порядка.
3. Измерения, результаты и обсуждение
Моделирование проводили для значений силы L, действующей на каж-
дый атом, от 2 (в системе СИ это 6.838 pN) до 50 (171 pN), что соответствует
значениям давления на каждую поверхность соответственно от 0.43 до
10.751 GPa. Горизонтальная сдвигающая сила FS на каждый атом верхней
пластины изменялась от 0.5 (1.71 pN) до 10 (34.2 nN), а полная горизонталь-
ная сила на поверхность изменялась от 1.97 до 394 nN. Максимальная дли-
тельность компьютерного эксперимента составляла 52000 временных шагов,
или 136.6 ps. Во время моделирования на протяжении первых 2000 времен-
ных шагов происходило достижение системой равновесного состояния, по-
сле чего проводили измерения.
Осуществляли две группы измерений. Одни имели место в отсутствие си-
лы FS сдвига, и в них измеряли коэффициент диффузии. Для другой группы
сдвиговая сила была ненулевой, и измеряли кинетическую силу трения, дей-
ствующую на поверхность. Динамический структурный фактор рассчитыва-
ли для обеих групп измерений.
Коэффициент диффузии рассчитывали двумя способами. Первый – с ис-
пользованием формулы Эйнштейна, которая для больших (по сравнению с
«временем столкновений») времен t имеет вид [7]:
2
1
1lim ( ) (0)
6
mN
j j
t m j
D t
N t→∞ =
⎡ ⎤= −⎣ ⎦∑ r r , (5)
где Nm – количество молекул воды. Второй способ проводили с использова-
нием альтернативного метода Грина–Кубо, основанного на интегральной
автокорреляционной функции ϕ(t) скорости [7,11]:
1
( ) ( ) (0)
mN
j j
j
t t
=
ϕ = ∑ v v , (6)
0
1 ( )d
3 m
D t t
N
∞
= ϕ∫ , (7)
где vj – скорость j-й молекулы. Можно показать, что выражения (5) и (7) да-
ют эквивалентные результаты [7].
Для расчета динамического структурного фактора использовали выраже-
ние [7]:
( ) ( )1, , e d
2
i tS F t t
∞ ω
−∞
ω =
π ∫k k , (8)
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
128
где промежуточная функция рассеяния
( ) ( ) ( )1, , ,0
m
F t t
N
= ρ ρ −k k k . (9)
Фурье-образ плотности определяли по формуле
( ) ( ) ( ), , e d e ji ti
j
t t −−ρ = ρ =∑∫
krkrk r r . (10)
Полученные в моделировании графики для коэффициента диффузии
представлены на рис. 2 и 3. Они имеют вид, аналогичный рисункам для
гладких поверхностей [6]. Уменьшение коэффициента диффузии с увели-
чением нагрузки указывает на переход пленки воды в твердоподобное со-
стояние.
а б
Рис. 2. Временные зависимости коэффициента диффузии, рассчитанные по форму-
ле Эйнштейна (5), для пленок воды толщиной в один (а) и два (б) молекулярных
диаметра для различных нагрузок L: 1 – 2, 2 – 4, 3 – 8, 4 – 20, 5 – 50
Рис. 3. Зависимости коэффициента
диффузии от нагрузки для пленок воды
толщиной в один (△) и два (◆) молеку-
лярных диаметра, рассчитанные с ис-
пользованием соответствующих авто-
корреляционных функций скорости и
формулы (7)
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
129
Основным отличием поведения воды для шероховатых поверхностей от
такового для атомарно-гладких поверхностей является вид размещения мо-
лекул. Так, образование квазидискретных слоев не наблюдалось, а имели
место конфигурации, представленные на рис. 4.
При высоких нагрузках для однослойной пленки воды в отсутствие и при
наличии сдвига можно было наблюдать модулирование расположения моле-
кул воды рельефом поверхности. На рис. 5 представлены конфигурации мо-
лекул в однослойной пленке (в плоскости ху).
а б
Рис. 4. Размещение молекул в пленке воды толщиной в два молекулярных диамет-
ра для шероховатых поверхностей и нагрузок 8 (а) и 30 (б) в отсутствие сдвига
а б
Рис. 5. Размещение молекул воды в однослойной пленке между шероховатыми по-
верхностями в отсутствие сдвига при нагрузке 20 (а) и 40 (б)
Типичные конфигурации молекул в пленке толщиной в два молекуляр-
ных диаметра для различных значений сдвиговой силы и нагрузки показаны
на рис. 6.
Найденные частотные зависимости динамического структурного фактора
S(k,ω) для всех исследовавшихся значений параметров имеют вид, типич-
ный для стекловидного состояния с острым центральным пиком при ω = 0,
указывающим на твердоподобное состояние пленки. Типичная зависимость
представлена на рис. 7.
z
z
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
130
а б
в г
д е
Рис. 6. Конфигурации молекул в пленке воды толщиной в два молекулярных диа-
метра между шероховатыми поверхностями: а – FS = 0.5, L = 14; б – FS = 0.5, L = 45;
в – FS = 0, L = 30; г – FS = 0, L = 40; д – FS = 2, L = 20; е – FS = 2, L = 35
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
131
а б
Рис. 8. Зависимости среднего по времени значения силы трения от нагрузки для
пленки воды толщиной в один (а) и два (б) молекулярных диаметра для различных
сил сдвига FS: 1 – 0.5, 2 – 2, 3 – 5
Временные зависимости силы трения для шероховатых поверхностей
аналогичны зависимостям для плоских поверхностей и в данной работе не
приводятся. На рис. 8 представлены зависимости среднего по времени зна-
чения силы трения от нагрузки. Сравнение с зависимостями для атомарно-
плоских поверхностей показывает, что периодический атомарный рельеф не
приводит к качественному изменению зависимостей F(L).
4. Выводы
Основные результаты, полученные в работе, можно сформулировать сле-
дующим образом.
1. При повышении нагрузки наблюдается переход ультратонкой пленки
воды в твердоподобное состояние, проявляющийся в уменьшении коэффи-
циента диффузии и в характерном для стекол виде частотной зависимости
динамического структурного фактора.
Рис. 7. Динамический структурный
фактор для одного из наименьших зна-
чений волнового числа и для одно-
слойной пленки воды при FS = 0, L = 20
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
132
2. Характер размещения молекул в ультратонкой пленке в значительной
степени определяется рельефом поверхностей. Для шероховатых поверхно-
стей в отличие от атомарно-гладких не формируются слои молекул в плен-
ках толщиной в два молекулярных диаметра. Для однослойной пленки мож-
но наблюдать модулирование размещения молекул рельефом поверхностей.
3. Периодический рельеф поверхностей качественно не влияет на вре-
менные зависимости силы трения.
4. Изменение среднего по времени значения кинетической силы трения с
нагрузкой для обоих типов поверхностей качественно одинаково.
Работа поддержана грантом Государственного фонда фундаментальных
исследований Ф25/97–2008.
1. H. Yoshizawa, J.N. Israelachvili, J. Phys. Chem. 97, 11300 (1993).
2. M.L. Gee, P.M. McGuiggan, J.N. Israelachvili, J. Chem. Phys. 93, 1895 (1990).
3. O.M. Braun, A.G. Naumovets, Surf. Sci. Rep. 60, 79 (2006).
4. J. Gao, W.D. Luedtke, U. Landman, J. Phys. Chem. 101, 4013 (1997).
5. S.J. Heo, S.B. Sinnott, D.W. Brenner, J.A. Harrison, in: Nanotribology and
nanomechanics, B. Bhushan (ed.), Springer, Berlin (2005).
6. A.V. Khomenko, N.V. Prodanov, http://arxiv.org/abs/0806.4505v1 (2008).
7. D.C. Rapaport, The art of molecular dynamics simulation, Cambridge University
Press, Cambridge (2004).
8. http://www.webelements.com.
9. O.M. Braun, M. Peyrard, Phys. Rev. E63, 46110 (2001).
10. С.С. Воюцкий, Курс коллоидной химии, Химия, Москва (1975).
11. Н. Марч, М. Тоси, Движение атомов жидкости, Металлургия, Москва (1980).
А.В. Хоменко, Н.В. Проданов
ВПЛИВ ШОРСТКОСТI АЛМАЗНИХ ПОВЕРХОНЬ НА ПОВЕДIНКУ
УЛЬТРАТОНКОÏ ПЛIВКИ ВОДИ, ПОМIЩЕНОÏ МIЖ НИМИ
Представлено результати моделювання методом молекулярної динаміки (МД)
ультратонкої плівки води, стиснутої між абсолютно жорсткими алмазними
пластинами з періодичним рельєфом атомарного масштабу. Розглянуто плівки
завтовшки в один і два молекулярні діаметри, для молекул води використовувалася
TIP4P модель. Вивчено рівноважні і динамічні характеристики системи залежно від
зовнішнього навантаження (тиск на поверхні) і сили зрушення. Проведено
порівняння результатів моделювання систем з гладкими і шорсткими поверхнями.
Показано, що періодичний рельєф атомарного масштабу якісно не впливає на
більшість вивчених властивостей системи.
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 1
133
A.V. Khomenko, N.V. Prodanov
EFFECT OF ASPERITIES OF DIAMOND PLATES ON BEHAVIOR
OF ULTRATHIN WATER FILM CONFINED BETWEEN THEM
Molecular dynamics simulations of ultrathin water film confined between absolutely rigid
diamond plates with periodic atomic-scale relief are described. Films with thickness of
one and two molecular diameters are concerned and TIP4P model is used for water mole-
cules. Dynamical and equilibrium characteristics of the system for different values of the
external load (pressure on the surfaces) and shear force are investigated. The comparison
of results of the modeling for systems with flat and rough surfaces is carried out. It is
shown that periodic atomic-scale relief does not influence qualitatively the majority of the
studied properties of the system.
Fig. 1. Configurations of the studied system for water film confined between atomically
rough surfaces consisting of one (а) and two (б) layers of molecules at the beginning of
simulation
Fig. 2. Time dependences of the diffusion constant calculated with the Einstein expres-
sion (5) for films with thickness of one (а) and two (б) molecular diameters for different
loads L: 1 – 2, 2 – 4, 3 – 8, 4 – 20, 5 – 50
Fig. 3. Dependences of the diffusion constant on load for water films with thickness of
one (△) and two (◆) molecular diameters calculated with the use of corresponding ve-
locity autocorrelation function and formula (7)
Fig. 4. Arrangement of molecules in the water film with thickness of two molecular di-
ameters for rough surfaces and L = 8 (а) and 30 (б) without shear
Fig. 5. Arrangement of water molecules in the one-layer film between rough surfaces
without shear for L = 20 (a) and 40 (б)
Fig. 6. Configurations of molecules in the water film with thickness of two molecular
diameters between rough surfaces: а – FS = 0.5, L = 14; б – FS = 0.5, L = 45; в – FS = 0,
L = 30; г – FS = 0, L = 40; д – FS = 2, L = 20; е – FS = 2, L = 35
Fig. 7. Dynamic structure factor for one of the smallest values of the wave number and
for the one-layer water film for FS = 0, L = 20
Fig. 8. Time-averaged value of the friction force as a function of load for films with
thickness of one (a) and two (б) molecular diameters and different shear forces FS: 1 –
0.5, 2 – 2, 3 – 5
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69152 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T05:26:03Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Хоменко, А.В. Проданов, Н.В. 2014-10-06T18:33:29Z 2014-10-06T18:33:29Z 2009 Влияние шероховатости алмазных поверхностей на поведение ультратонкой пленки воды, заключенной между ними / А.В. Хоменко, Н.В. Проданов // Физика и техника высоких давлений. — 2009. — Т. 19, № 1. — С. 123-133. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 61.20.Ja, 61.20.Ne, 61.30.Hn, 68.35.Af https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69152 Представлены результаты моделирования методом молекулярной динамики ультратонкой пленки воды, сжатой между абсолютно жесткими алмазными пластинами с периодическим рельефом атомарного масштаба. Рассмотрены пленки толщиной в один и два молекулярных диаметра, для молекул воды использовалась TIP4P модель. Изучены равновесные и динамические характеристики системы в зависимости от внешней нагрузки (давления на поверхности) и силы сдвига. Проведено сравнение результатов моделирования систем с гладкими и шероховатыми поверхностями. Показано, что периодический рельеф атомарного масштаба качественно не влияет на большинство изученных свойств системы. Представлено результати моделювання методом молекулярної динаміки (МД) ультратонкої плівки води, стиснутої між абсолютно жорсткими алмазними пластинами з періодичним рельєфом атомарного масштабу. Розглянуто плівки завтовшки в один і два молекулярні діаметри, для молекул води використовувалася TIP4P модель. Вивчено рівноважні і динамічні характеристики системи залежно від зовнішнього навантаження (тиск на поверхні) і сили зрушення. Проведено порівняння результатів моделювання систем з гладкими і шорсткими поверхнями. Показано, що періодичний рельєф атомарного масштабу якісно не впливає на більшість вивчених властивостей системи. Molecular dynamics simulations of ultrathin water film confined between absolutely rigid diamond plates with periodic atomic-scale relief are described. Films with thickness of one and two molecular diameters are concerned and TIP4P model is used for water molecules. Dynamical and equilibrium characteristics of the system for different values of the external load (pressure on the surfaces) and shear force are investigated. The comparison of results of the modeling for systems with flat and rough surfaces is carried out. It is shown that periodic atomic-scale relief does not influence qualitatively the majority of the studied properties of the system. Работа поддержана грантом Государственного фонда фундаментальных исследований Ф25/97–2008. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Влияние шероховатости алмазных поверхностей на поведение ультратонкой пленки воды, заключенной между ними Вплив шорсткостi алмазних поверхонь на поведiнку ультратонкоï плiвки води, помiщеноï мiж ними Effect of asperities of diamond plates on behavior of ultrathin water film confined between them Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние шероховатости алмазных поверхностей на поведение ультратонкой пленки воды, заключенной между ними Хоменко, А.В. Проданов, Н.В. |
| title | Влияние шероховатости алмазных поверхностей на поведение ультратонкой пленки воды, заключенной между ними |
| title_alt | Вплив шорсткостi алмазних поверхонь на поведiнку ультратонкоï плiвки води, помiщеноï мiж ними Effect of asperities of diamond plates on behavior of ultrathin water film confined between them |
| title_full | Влияние шероховатости алмазных поверхностей на поведение ультратонкой пленки воды, заключенной между ними |
| title_fullStr | Влияние шероховатости алмазных поверхностей на поведение ультратонкой пленки воды, заключенной между ними |
| title_full_unstemmed | Влияние шероховатости алмазных поверхностей на поведение ультратонкой пленки воды, заключенной между ними |
| title_short | Влияние шероховатости алмазных поверхностей на поведение ультратонкой пленки воды, заключенной между ними |
| title_sort | влияние шероховатости алмазных поверхностей на поведение ультратонкой пленки воды, заключенной между ними |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69152 |
| work_keys_str_mv | AT homenkoav vliâniešerohovatostialmaznyhpoverhnosteinapovedenieulʹtratonkoiplenkivodyzaklûčennoimeždunimi AT prodanovnv vliâniešerohovatostialmaznyhpoverhnosteinapovedenieulʹtratonkoiplenkivodyzaklûčennoimeždunimi AT homenkoav vplivšorstkostialmaznihpoverhonʹnapovedinkuulʹtratonkoiplivkivodipomiŝenoimižnimi AT prodanovnv vplivšorstkostialmaznihpoverhonʹnapovedinkuulʹtratonkoiplivkivodipomiŝenoimižnimi AT homenkoav effectofasperitiesofdiamondplatesonbehaviorofultrathinwaterfilmconfinedbetweenthem AT prodanovnv effectofasperitiesofdiamondplatesonbehaviorofultrathinwaterfilmconfinedbetweenthem |