Nuovi nanocuscinetti costruiti mediante adsorbimento fisico

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 14539 (2015) Citare questo articolo

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L'articolo propone un nuovo nanocuscinetto formato dall'adsorbimento fisico del fluido confinato sulla parete solida. Il cuscinetto è formato tra due pareti parallele lisce e piane che scorrono l'una contro l'altra, dove la teoria convenzionale della lubrificazione idrodinamica non prevedeva alcun effetto lubrificante. In questo cuscinetto, la parete solida stazionaria è divisa in due sottozone che hanno rispettivamente diverse forze di interazione con il fluido lubrificante. Ciò porta a diverse proprietà fisiche di adsorbimento e scorrimento del fluido lubrificante sulla parete solida stazionaria rispettivamente in queste due sottozone. Si è riscontrato che è possibile generare una significativa capacità di carico del cuscinetto per bassi spessori del film lubrificante, a causa del forte assorbimento fisico e degli effetti non continui del film lubrificante.

Nei micro/nano dispositivi, le superfici solide accoppiate sono spesso parallele e scorrono l'una contro l'altra1. La lubrificazione tra queste superfici è impegnativa poiché è molto importante per le prestazioni del contatto formato, inclusa la riduzione delle forze adesive tra le due superfici, tuttavia la teoria convenzionale della lubrificazione idrodinamica afferma che lì non può essere generata lubrificazione, a causa del flusso di massa velocità del flusso Couette del lubrificante trascinato nel contatto uguale a quello trascinato fuori dal contatto e quindi la condizione di continuità del flusso sempre soddisfatta in questo contatto con gradienti di pressione nulli2,3.

Le ragioni del fallimento della teoria convenzionale della lubrificazione idrodinamica nel prevedere le prestazioni di un micro/nano contatto lubrificato sono che tale teoria considerava solo le proprietà omogenee della superficie di contatto, trascurava i fattori dell'adsorbimento fisico e dello scorrimento del film lubrificante al contatto superficie e si basava sul presupposto di un lubrificante continuo4. Quando la separazione tra due superfici solide accoppiate è su scala nanometrica, la teoria convenzionale della lubrificazione idrodinamica fallirà sicuramente a causa delle ipotesi irrealistiche sopra menzionate prese in questa teoria. Esperimenti e simulazioni di dinamica molecolare (MDS) hanno dimostrato che in una separazione superficiale su scala nanometrica il fluido confinato può scivolare gravemente sulla superficie solida e la forza di interazione fluido-contatto ha un'influenza molto significativa su questo slittamento interfacciale5,6,7,8 ,9,10. Inoltre, in tale separazione l'adsorbimento fisico del fluido confinato sulla superficie solida, che appare come l'ordinamento del fluido confinato sulla superficie solida, può avere un effetto importante sul trasferimento di quantità di moto all'interno del fluido11,12,13,14 ,15,16. Lo slittamento interfacciale del film limite in un micro/nano contatto lubrificato è il risultato dello stress di taglio interfacciale del film limite che supera la resistenza al taglio interfacciale del film limite-contatto17. Minore è la resistenza al taglio interfacciale di contatto del film limite, maggiore è la velocità di scivolamento interfacciale del film limite17. La quantità di scorrimento relativo del film limite (definito come γs in quest'ultimo) varia tra −1 e 1. Una grandezza maggiore di γs indica uno slittamento interfacciale più grave e una grandezza di γs uguale all'unità mostra lo slittamento interfacciale più grave, che fa fermare il movimento della pellicola limite sulle superfici di contatto o aumenta al massimo la velocità di movimento della pellicola limite sulla superficie di contatto. Lo scorrimento interfacciale del film limite può quindi ridurre o aumentare la portata massica del film lubrificante attraverso il contatto a seconda delle condizioni operative e del punto in cui si verifica lo slittamento interfacciale. Potrebbe quindi essere dannoso o benefico per le prestazioni di un micro/nano contatto lubrificato. Un adsorbimento forte, medio o debole del fluido confinato sulla parete solida in un nanocanale può essere inevitabilmente presente a seconda della forza di interazione tra il fluido confinato e la parete11,12,13,14,15. Più forte è l'interazione fluido-parete, più forte è l'adsorbimento fisico del fluido sulla parete, ma più debole è lo scorrimento interfacciale del fluido, o viceversa11,12,13,14,15.