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本研究室《基于微细图案的功能性纳米润滑膜设计》课题获得日本文部科学省《最前沿、新一代研究开发资助项目 绿色与创新》的资助。
最前沿、新一代研究开发资助项目研究概要
JSPS最前沿、新一代研究开发资助项目主页
资助项目概要

研究背景

纳米技术作为一项对21世纪的产业和社会产生重大影响的科学技术而备受瞩目。纳米技术可以将原子和分子固定在指定位置上,在纳米尺度上控制结构单元,创造出理想的功能性新材料、新器件。其应用不仅局限于信息通信、电子、能源、环境等工业领域,还可广泛应用在生物技术、生命科学、医学、农业等领域,给产业结构和社会结构带来重大变革的可能。2000年年初,美国颁布的国家纳米推动方案中,例举了诸多革命性纳米技术的应用实例。例如:仅占钢铁1/10重量,却拥有钢铁10倍强度的新材料;能够储存美国国会图书馆收藏的所有信息的仅一颗方糖大小的记忆装置;仅有2-3个癌细胞扩散时即可及时发现并给予治疗的新药物;能将计算机的信息处理能力提升数百万倍的半导体器件等等。纳米技术作为带动21世纪产业革命的基础技术,从此备受瞩目。

迄今为止,关于纳米技术的研究,在以碳纳米管为代表的物质与材料方面目前已取得了大量的研究成果,但在具有相对运动的微器件与微机械系统的应用方面,能够满足实用层面上的功能性纳米技术的研究和开发仍面临诸多空白。比如用于单晶硅细微加工的微机械或者计算机硬盘的磁头/磁盘界面方面,如何实现让介于纳米尺度间隙的两固体表面间的相对运动达到高精度、高安定性的目标,直接关系到微机械的实用化以及硬盘记录密度的提高等问题。通常来说,在极微小的空隙之间,表面效应将大于体积效应,因此会导致出现不同于本体特性的现象。换言之,相对于惯性和重力等体积作用力而言,更容易受到分子间力、表面力等表面效应作用力的支配,从而产生较强的粘着力和摩擦力,最终阻碍两固体表面间的相对运动。要实现高精度、高信赖性的纳米尺度的相对运动,就必须要避开表面间固体的直接接触。因此,采用纳米厚度的高分子液体薄膜的润滑技术(纳米薄膜润滑技术)受到了众多研究人员的关注。

纳米薄膜润滑技术

纳米薄膜润滑技术(如上图所示),不同于传统的油润滑技术。首先为了确保润滑膜的耐久性,在滑动接触过程中需保证纳米薄膜不发生破裂,即便万一纳米薄膜发生破损,也要求其周边的润滑剂分子能迅速流动到破损处进行自我修复。这就要求润滑膜同时具固定性和流定性,而这又是相互矛盾的。尤其是对于单分子层的润滑膜来说,如何实现兼具自我保持功能和自我修复功能尤为困难。此外,由于液体膜会产生粘着力和摩擦力,为确保表面间的相对运动,纳米润滑膜还必须具有低粘着,低摩擦的特性。

研究内容

鉴于纳米液体润滑膜的特性

鉴于纳米液体润滑膜的特性是由液体分子和固体表面的相互作用所支配,我们提出如下方案来实现单分子层在具备自我保持特性的同时还能实现自我修复。我们主要利用部分透明的光掩膜(photomask)通过紫外线来对单分子层的润滑膜(全氟聚醚,Perfluoropolyethers,缩写为PFPE)进行照射,这样在被照射区域,固液之间的分子作用力会变得很高,液体润滑膜呈现类固体的性质,从而具备较高的自我保持特性;而在非照射领域,固液之间的分子作用力较弱,润滑剂分子仍具有流动性。在摩擦过程中,当固定分子发生磨损得时候,其周边的流动分子便会流动补充过来,实现自我修复的特性。该方法是本研究室的原创技术。我们通过对光掩膜进行图案设计,可以形成固定分子和流动分子之间的多种分布形式,从而实现单分子润滑层同时具备自我保持特性和自我修复特性。此外,通过控制固定分子的比例,可以减少接触面积,实现固体表面之间的低摩擦、低粘着。

本研究室采用计算机模拟与实验相融合的手法,目前具体开展如下研究内容:

  1. 长时间、大规模摩擦学*现象的计算机模拟方法的建立
  2. 纳米液体润滑膜摩擦学特性的试验评价技术的研究
  3. 纳米润滑膜图形细微化及其作用机理的研究
  4. 纳米润滑膜图形设计的研究

*摩擦学:研究在相对运动进行过程中,产生相互作用的表面以及与其相关的一系列实际问题的一项科学技术。来源于希腊语中tribo(摩擦)和-logy(学问)两词的复合词。是一门涉及物理、界面化学、电气电子、测量控制等的交叉学科。

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