نانو تریبومتر و کاربردهای آن

تریبولوژی علمی است که در آن پدیده هایی نظیر اصطکاک، ضریب اصطکاک، سایش میکرو مواد، روانکاری و نانو خراش مورد بررسی قرار می گیرد. روش اندازه گیری این پدیده ها با در نظر گرفتن قابلیت تکرار پذیریِ اندازه گیری اصطکاک و ساییدگی، تریبومترولوژی نامیده می شود.
در دهه های اخیر، با پیشرفت و توسعه فناوری نانو، علم نانو تریبولوژی و مهندسی سطح در مقایس نانومتر، مورد توجه فراوانی قرار گرفته است؛ زیرا بسیاری از مشکلات موجود در مسیر تحقیقات نانو، ارتباط تنگاتنگی با تریبولوژی دارد.
با پیشرفت دستگاه های جدید و توسعه قابلیت آنها، این دانش نیز به سرعت پیشرفت کرده است؛ به طوری که مشاهده دقیق پدیده هایی که روی سطح اتفاق می افتند، به سهولت امکان پذیر شده است. این دانش ابزار پیشرفته ای در مطالعه دیسک های سخت و سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) به شماره می رود. به هر حال انتظار می رود که تحقیقات نانو تریبولوژی از محدوده آزمایشگاه ها خارج شده، به دانشی پویا در طراحی و ساخت ابزارهای نانویی تبدیل شود.
● نقش و اهمیت نانو تریبولوژی
تریبولوژی دانش مطالعه اصطکاک و سایش میان دو جسم سخت است. در سیستم های مدرن به دلیل استفاده فراوان از نانو مواد در طراحی و ساخت مواد و فرآیندها، به کارگیری دستگاه های جدید با قابلیت عملکرد چند گانه و دقت بسیار بالا (در بررسی نانو مواد) ضروری است. از ترکیبات میکا، پلی کربنات و پلی اتیلن به عنوان استاندارد در این دستگاه استفاده می شود.
عموماً دستگاه نانوتریبومتر دارای قابلیت های مختلفی است: مکان ایجاد شیار و بررسی سایش در مقیاس نانومتر؛ امکال اعمال نیرو؛ امکان افزایش تدریجی اعمال نیرو و تعیین نیروی بحرانی برای ایجاد تغییر روی سطح؛ امکان انجام آزمایش های مربوط به سایش با قابلیت تکرار پذیری دوباره؛ اندازه گیری های مربوط به ایجاد سوراخ بر روی دیسک سخت (تا بیش از۳۶۰۰rpm)؛ امکان انجام آزمایش در دماهای بالا.
● اساس کار دستگاه نانو تریبومتر
تریبومتر نام عمومی دستگاهی است که برای انجام آزمایش و شبیه سازی فرآیند ساییدگی، اصطکاک و روانکاری در مقیاس نانومتر و میکرومتر مورد استفاده قرار می گیرد؛ تمامی این بررسی ها در حوزه مطالعات تریبولوژی قرار می گیرند.
سازندگی دستگاه های نانوتریبومتر می توانند این دستگاه را مطابق با نظرات سفارش دهنده، به صورت کاملاً تخصصی طراحی کنند؛ به عنوان مثال، سازندگان وسایل ارتوپدی توجه زیادی را صرف ساخت تریبومترهایی کرده اند که بتوانند حرکت مفاصل و نیروهای وارد آمده برمفاصل بدن را با دقت فراوان دوباره سازی کنند، به طوری که بررسی سرعت و نحوه ساییدگی مفاصل امکان پذیر شود.
اساس کار این دستگاه بسیار شبیه میکروسکوپ نیروی اتمی است؛ ولی نانو تریبومتر برای نمایش حرکت جانبی نمونه هنگام روبش، از یک سیستم تداخل سنج zygo استفاده می کند. با این روش، اندازه گیری نیروهای جانبی با صحت بالا امکان پذیر است. نانو تریبومتر اجازه بررسی محدوده وسیعی از نیروهای جانبی و اعمال شده را به وسیله سیستم تشخیصی خود نیز فراهم می کند. تجهیزات مربوط به اعمال نیرو می تواند تغییرات پیوسته ای در نیروهای جانبی و نرمال را در محدوده نانونیوتن تا میلی نیوتن اندازه گیری کند.
با توجه به اهمیت اندازه گیری های مربوط به تریبولوژی در مقیاس میکرو و نانو، دستگاه های مورد استفاده در بررسی اصطکاک و سایش روانکارها در مقیاس بسیار کوچک مورد توجه فراوان قرار گرفتند. در ابتدا از میکروسکوپ روبشی نیرو (SFM) برای این منظور استفاده شد، ولی به هر حال SFM به دلیل کوچک بودن ابعاد سوزن، اغلب فشارهای تماسی بالا در محدوده گیگاپاسکال تولید می کند؛ از سوی دیگر، استفاده از میکروسکوپ های روبشی دارای محدودیت های دیگری مانند تغییرات زیاد نیرو، رفتار غیر خطی پیزو الکتریک و محدودیت در انتخاب حسگرهای مخصوص نیرو است. برای رفع محدودیت های فوق، دستگاه نانوتریبومتر مورد توجه قرار گرفت. در این دستگاه با امکان استفاده از فتودیودهای حساس به جای حسگرهای چهار تایی، استفاده از حسگرهای ظرفیتی و سیستم های تداخل سنجی در تعیین بازخورد و استفاده از حسگرهایی با محدوده وسیع نیرو، محدودیت های فوق رفع شده است.
● کاربردهای نانوتریبومتر
دستگاه نانو تریبومتر دارای کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف است و متناسب با نوع کاربرد و میزان دقت و وضوح مورد نیاز، می تواند دارای قابلیت های اختصاصی باشد؛ این دستگاه کاربردهای متعددی در صنایع زیر دارد:
سیستم های میکروالکترومکانیکی؛ سیستم های ذخیره سازی (دیسک های فشرده)؛ فناوری نیمه هادی ها؛ سیستم های اپتیک و نوری؛ انواع پوشش ها خصوصاً ضدسایش و تزئینی؛ رنگ ها؛ پلیمرها؛ کنترل رطوبت؛ نانو خراش ها؛ صنایع دارویی؛ سیستم های خودروان ساز؛ روان کننده ها و مواد افزودنی به روغن.
در ادامه نمونه هایی از کاربردهای نانوتریبومتر در صنعت، توضیح داده شده است:
۱) بررسی رژیم های روانکاری با استفاده از فشارهای تماسی بسیار پایین
اخیراً نانوتریبومترهای جدید، بررسی تغییرات نیرو را در شرایط تماسی امکان پذیر ساخته اند؛ لذا امکان مطالعه روانکارها در نیروهای بسیار پایین، فراهم شده است. در یک مطالعه، با این دستگاه نحوه تغییر رژیم های روانکاری، هنگام تغییر نیروی به کار رفته بر روی سطح در حال تماس با روانکار، مورد بررسی قرار گرفته است.
هنگام بررسی نیروهای نرمال و لغزشی اعمال شده بر روی دو صفحه در حالی که لایه روانکار در میان آن دو وجود دارد، ویژگی های هندسی و هیدرودینامیک سیستم به همراه تغییرات الاستیکی- که در ناحیه بر هم کنش به وقوع می پیوندد- باید در نظر گرفته شوند. برای انجام آزمایش های نانوتریبومتری، از یک گوی استیلی و یک دیسک استیلی با پوشش Ti، (اندازه گیری شده با میکروپیت) انجام می شود. برای رسیدن به سرعت خطی مورد نظر در نقطه تماس، صفحه با سرعت مناسب چرخانده می شود. نیروی اصطکاک (F) اندازه گیری شده، با استفاده از رابطه F/W = ، ضریب اصطکاک ( ) محاسبه می شود. در رابطه فوق، W نشان دهنده میزان نیروی نرمالی است که از سوی فنر شیشه ای تیرک اعمال می شود.
۲) مطالعه چسبندگی و اصطکاک مواد برای سیستم های میکروالکترومکانیکی
با کوچک شدن مقیاس اندازه گیری در سیستم های میکروالکترومکانیکی، و به علت بزرگ بودن نسبت مساحت سطح به حجم در این سیستم ها، نیروهای سطحی مانند چسبندگی و اصطکاک نسبت به نیروهای داخلی و گرانشی اهمیت بیشتری پیدا کرده است.
در این مطالعه، برای انجام آزمایش از گوی (Si ۱۰۰) به عنوان کره استفاده می شود که در انتهای یک تیرک از جنس استیل (فولاد ضدزنگ)نصب می شود. در این اندازه گیری گوی در حالت تماس با نمونه تحت شرایط کنترل شده قرار می گیرند. حداکثر نیروی مورد نیاز برای جدا ساختن سطوح بالایی و پایینی از هم، به عنوان نیروی چسبندگی شناخته می شود. نحوه محاسبه نیروهای چسبندگی، بسیار شبیه کالیبراسیون نیرو با SFM است.
هنگامی که گوی به سطح نمونه (Si ۱۰۰) نزدیک می شود در فاصله چند نانومتری، نیروهای جاذبه بین دو سطح به وجود می آید. جذب مولکول های آب بر روی سطح نمونه به دلیل تشکیل ذرات کروی و محدب آب بر روی سطح، می تواند پدیده چسبیدن را تسریع کند. از این نقطه به بعد، گوی در حالت تماس با سطح نمونه قرار می گیرد و با افزایش نیرو، انحراف تیرک نیز بیشتر می شود. در انتها تیرک از سطح نمونه دور شده، گوی از حالت چسبیده به سطح خارج و در حالت آزاد در هوا قرار می گیرد. این پدیده به نیروهای دوربرد و اندروالس یا الکتروستاتیک نسبت داده می شود.
نیروهای اصطکاک با استفاده از این دستگاه در حالت نوسانی خطی و با به کارگیری نیروهای نرمال اندازه گیری می شود و مقادیر متوسط ضریب اصطکاک با اندازه گیری نیروهای اصطکاک به صورت تابع نیروی نرمال به دست می آید. با محاسبه ضرایب اصطکاک روانکارهای مناسب برای ابزارهای میکروالکترومکانیکی تعیین می شوند.
۳) بررسی لنزهای چشمی
هنگام استفاده از لنزهای چشمی، ناراحتی ایجاد شده ناشی از تماس این لنزها با چشم، به ضریب اصطکاکی بین پلک و هیدروژل سازنده لنز ارتباط می یابد؛ از این رو اندازه گیری دقیق و مدل سازی اصطکاک لغزشی هیدروژل ها در صنعت لنزسازی ضروری است.
هیدروژل ها زمینه پلیمری دارند و دارای۳۰ تا۷۰ درصد آب هستند. از ویژگی مهم هیدروژل ها، حساسیت فوق العاده زیاد آنها نسبت به میزان آب و رطوبت است. اعمال هر گونه فشاری بر روی سطح این ماده باعث فشرده شدن هیدروژل شده، میزان آب موجود در آن را کاهش می دهد؛ بنابراین انجام آزمایش های مربوط به اندازه گیری اصطکاک هیدروژل ها، باید تحت شرایطی بسیار مشابه شرایط چشم، انجام شود.
چشم انسان در حالت های مختلفی کار می کند، ولی در این بررسی حالت باز و بسته شدن (چشمک زدن) بیش از همه مناسب است؛ زیرا در این حالت حرکت پلک بیشترین نیروی نرمال را بر روی لنزها وارد می کند. برای اندازه گیری اصطکاک در شرایط حساس چشم، لازم است از حسگرهای بسیار دقیق استفاده نمود و شرایط محیطی را در وضعیت پایدار نگه داشت.

صدیقه صادق حسنی، زهرا ثبات
کارشناس ارشد شیمی ، مرکز تحقیقات فناوری نانو

منبع : ماهنامه نفت پارس