Riassunto analitico
Lo studio dell’attrito è uno dei settori di ricerca più affascinanti e impegnativi del nostro secolo. In particolare, la possibilità di controllare e di ridurre l’attrito durante lo scorrimento tra superfici può dare la possibilità di ridurre le perdite energetiche e, pertanto, di aumentare l’efficienza e la sostenibilità ambientale in un ampio numero di sistemi tecnologici. Negli ultimi anni, la ricerca di nuovi lubrificanti e rivestimenti è cresciuta notevolmente di importanza per contrastare gli enormi costi economici e ambientali correlati all’attrito e all’usura. Inoltre, lo sviluppo di dispositivi miniaturizzati con un alto rapporto superficie/volume, come i sistemi micro e nano elettromeccanici, richiede la ricerca di nuove soluzioni per i problemi tribologici che minano la loro funzionalità.
Per comprendere il meccanismo di riduzione dell’attrito, è necessario indagare l’interazione atomistica tra il lubrificante e il substrato. Questo studio può essere condotto tramite simulazioni al computer, che permettono di esplorare il meccanismo atomistico di riduzione dell’attrito e di verificare fenomeni che non sono distinguibili con gli esperimenti.
All’interno di questa tesi è possibile trovare uno studio di diversi fenomeni legati all’attrito su scala atomica. In particolare, l’attenzione è focalizzata sullo studio sullo studio di i) monostrati adsorbiti su diversi substrati e del ii) meccanismo atomistico di riduzione dell’attrito da parte del grafene.
Per quanto riguardo lo studio dei monostrati, si è analizzato l’assorbimento di atomi di xenon su substrati di grafene e oro; in questo modo, variando il ricoprimento e la temperatura del sistema, studiamo il comportamento tribologico di questi adsorbati che, secondo recenti esperimenti effettuati con la microbilancia al quarzo, è strettamente correlato a questi fattori, oltre che alla diversa natura del substrato.
Invece sulle proprietà lubrificanti del grafene, analizzeremo vari aspetti che posso spiegare il comportamento microscopico di questo materiale quando è utilizzato come lubrificante: innanzitutto, abbiamo studiato l’interazione tra grafene e ferro per comprendere i motivi dell’effetto lubrificante del grafene, in particolare la passivazione della superficie metallica, nello scorrimento tra superfici di acciaio; successivamente, abbiamo realizzato un confronto tra il grafene e il disolfuro di molibdeno nell’interazione con l’acqua, in modo da capire quale sia l’origine del loro diverso effetto lubrificante in presenza dell’umidità (il primo è un eccellente lubrificante in aria, l’altro funziona solo in ambiente secchi). Infine, abbiamo realizzato un confronto tra diversi approcci computazionali per capire quale sia il migliore nello studio delle proprietà del grafene in presenza di molecole d’acqua.
Per realizzare queste simulazioni, sfruttiamo la disponibilità di supercomputer per utilizzare le tecniche computazionali più comuni attualmente disponibili. In particolare, il nostro studio fa uso della dinamica molecolare classica, della teoria del funzionale densità e di un approccio ibrido (Quantum Mechanics/Molecular Mechanics, QM/MM) con un nuovo codice che è stato da poco pubblicato e che può essere utile nello studio dei processi tribologici.
Questi studi permettono di allargare le nostre conoscenze nell’analisi dei fenomeni di attrito alla nanoscala e permettono anche di indagare alcuni aspetti che possono avere ricadute importanti nello sviluppo di nuove tecnologie.
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Abstract
The study of friction is one of the most intriguing and challenging research fields in our century. In particular, the possibility to control and reduce it during sliding process can give us the opportunity to reduce the energy losses, thus increase the efficiency and the environmental friendliness in a wide range of technological systems. In recent years, the search for novel lubricant materials and coatings has gained increasing importance to face the massive economic and environmental costs related to friction and wear. Furthermore, the development of miniaturized devices with high surface-to-volume ratio, such as micro- and nano-electromechanical systems, quests for new solutions for tribological problems like stiction that seriously undermine their functionality.
To understand the mechanism of friction reduction, it is necessary to investigate the atomistic interaction between the lubricant and the substrate. This study can be carried out by means of computational simulations, which allow to explore the atomistic mechanism of friction reduction and to check phenomena that are undetectable with experimental techniques.
In this thesis we explore different phenomena related to friction at the atomic scale. In particular, we focus our the study on i) adsorbed monolayer islands over different substrate and ii) the atomistic mechanism of friction reduction in graphene lubrication.
Regarding the study of adsorbed monolayers, we analyze the adsorption of xenon atoms on graphene and gold substrate; in this way we can study the different tribological behavior of the adsorbed islands by changing the coverage and the temperature. According to recent experiments performed with quartz crystal microbalance, the slippage of the islands is strictly correlated to this quantities and also to the different nature of the substrate.
About the tribological properties of graphene, we analyze different systems in order to explain the lubricant properties of this material. First of all, we study the interaction between graphene and iron, in particular the role of surface passivation, in order to understand why graphene is so effective as a solid lubricant in the steel-on-steel contact, as reported in recent experiments. Then, we realize a comparison between graphene and molybdenum disulphide interacting with water. In this way, we try to figure out the microscopic reason of their different lubricant effect in the presence of humid air (graphene is an excellent lubricant, while molybdenum disulphide loses its lubrication effect). Finally, we realize a comparison between different computational approaches in order to understand which is the best one in the description of tribological simulations of graphene interacting with water molecules.
To perform these simulations, we have access to modern supercomputers in order to use the most common computational techniques currently available. In particular, we perform simulations with classical Molecular Dynamics, Density Functional Theory and Quantum Mechanics/Molecular Mechanics. The latter one is developed in a new code released recently that can be useful in the study of tribological processes.
Thanks to these studies, we can add new pieces of information about our knowledge of friction phenomena at the nanoscale. In this way, we can investigate and try to explain new atomistic mechanisms in friction reduction that can be important in the applications of new technologies.
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