Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Chuyển động stick-slip do lực bám mạch lạc
Tóm tắt
Chúng tôi trình bày hiện tượng chuyển động stick-slip do lực bám mạch lạc gây ra, một hiệu ứng ma sát ở quy mô nanomet, trong đó vai trò của meniscus nước bị giới hạn ở quy mô nanomet được hình thành giữa đầu nhọn uốn cong và bề mặt kính hoặc mica được xác định thông qua việc đo lường lực động cắt. Chúng tôi đã thu được độ đàn hồi hiệu quả, độ nhớt, lực bảo toàn (đàn hồi) và lực không bảo toàn (nhờn), sự tiêu tán năng lượng, và lực ngang bằng cách sử dụng giao động nhỏ, điều chế biên độ và kính hiển vi lực nguyên tử thang tần-quartz (QTF-AFM) trong chế độ cắt. Chúng tôi đã phân biệt các lực bảo toàn và không bảo toàn bằng cách điều tra mối liên hệ giữa tải trọng pháp tuyến và độ ẩm tương đối, chiều dài trượt và tần số stick-slip. Chúng tôi phát hiện rằng nước bị giới hạn ở quy mô nanomet làm tăng các lực ngang thông qua chuyển động stick-slip do lực bám mạch lạc trên bề mặt thô, dẫn đến việc tăng lực ngang tĩnh (gấp 3 lần cho cả hai loại nền) và lực ngang động (gấp 6 lần cho kính, gấp 3 lần cho mica). Công trình này cung cấp hiểu biết định lượng và hệ thống về các tính chất ma sát ở quy mô nanomet trong điều kiện ẩm ướt, do đó hữu ích cho việc kiểm soát ma sát cũng như phân tích ma sát trong vật liệu và thiết bị nano.
Từ khóa
#stick-slip #lực bám mạch lạc #ma sát #meniscus nước #kính hiển vi lực nguyên tửTài liệu tham khảo
Socoliuc, A.; Bennewitz, R.; Gnecco, E.; Meyer, E. Transition from stick-slip to continuous sliding in atomic friction: Entering a new regime of ultralow friction. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 134301.
Lee, C.; Li, Q. Y.; Kalb, W.; Liu, X. Z.; Berger, H.; Carpick, R. W.; Hone, J. Frictional characteristics of atomically thin sheets. Science 2010, 328, 76–80.
Socoliuc, A.; Gnecco, E.; Maier, S.; Pfeiffer, O.; Baratoff, A.; Bennewitz, R.; Meyer, E. Atomic-scale control of friction by actuation of nanometer-sized contacts. Science 2006, 313, 207–210.
Hedgeland, H.; Fouquet, P.; Jardine, A. P.; Alexandrowicz, G.; Allison, W.; Ellis, J. Measurement of single-molecule frictional dissipation in a prototypical nanoscale system. Nat. Phys. 2009, 5, 561–564.
Mo, Y. F.; Turner, K. T.; Szlufarska, I. Friction laws at the nanoscale. Nature 2009, 457, 1116–1119.
Deng, Z.; Klimov, N. N.; Solares, S. D.; Li, T.; Xu, H.; Cannara, R. J. Nanoscale interfacial friction and adhesion on supported versus suspended monolayer and multilayer graphene. Langmuir 2013, 29, 235–243.
Deng, Z.; Smolyanitsky, A.; Li, Q. Y.; Feng, X. Q.; Cannara, R. J. Adhesion-dependent negative friction coefficient on chemically modified graphite at the nanoscale. Nat. Mater. 2012, 11, 1032–1037.
Cannara, R. J.; Brukman, M. J.; Cimatu, K.; Sumant, A. V.; Baldelli, S.; Carpick, R. W. Nanoscale friction varied by isotopic shifting of surface vibrational frequencies. Science 2007, 318, 780–783.
Filleter, T.; McChesney, J. L.; Bostwick, A.; Rotenberg, E.; Emtsev, K. V.; Seyller, T.; Horn, K.; Bennewitz, R. Friction and dissipation in epitaxial graphene films. Phys. Rev. Lett. 2009, 102, 086102.
Bhaskaran, H.; Gotsmann, B.; Sebastian, A.; Drechsler, U.; Lantz, M. A.; Despont, M.; Jaroenapibal, P.; Carpick, R. W.; Chen, Y.; Sridharan, K. Ultralow nanoscale wear through atom-by-atom attrition in silicon-containing diamond-like carbon. Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 181–185.
Choe, H.; Hong, M. H.; Seo, Y.; Lee, K.; Kim, G.; Cho, Y.; Ihm, J.; Jhe, W. Formation, manipulation, and elasticity measurement of a nanometric column of water molecules. Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 187801.
Kim, S.; Kim, D.; Kim, J.; An, S.; Jhe, W. Direct evidence for curvature-dependent surface tension in capillary condensation: Kelvin equation at molecular scale. Phys. Rev. X 2018, 8, 041046.
Major, R. C.; Houston, J. E.; McGrath, M. J.; Siepmann, J. I.; Zhu, X. Y. Viscous water meniscus under nanoconfinement. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 177803.
Jinesh, K. B.; Frenken, J. W. M. Capillary condensation in atomic scale friction: How water acts like a glue. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 166103.
Lee, M.; Kim, B.; Kim, J.; Jhe, W. Noncontact friction via capillary shear interaction at nanoscale. Nat. Commun. 2015, 6, 7359.
Mazeran, P. E. Effect of sliding velocity on capillary condensation and friction force in a nanoscopic contact. Mater. Sci. Eng. C 2006, 26, 751–755.
Giovambattista, N.; Rossky, P. J.; Debenedetti, P. G. Phase transitions induced by nanoconfinement in liquid water. Phys. Rev. Lett. 2009, 102, 050603.
Falk, K.; Sedlmeier, F.; Joly, L.; Netz, R. R.; Bocquet, L. Molecular origin of fast water transport in carbon nanotube membranes: Superlubricity versus curvature dependent friction. Nano Lett. 2010, 10, 4067–4073.
Thompson, P. A.; Robbins, M. O. Origin of stick-slip motion in boundary lubrication. Science 1990, 250, 792–794.
Ohnishi, S.; Kaneko, D.; Gong, J. P.; Osada, Y.; Stewart, A. M.; Yaminsky, V. V. Influence of cyclohexane vapor on stick-slip friction between mica surfaces. Langmuir 2007, 23, 7032–7038.
Tian, K. W.; Goldsby, D. L.; Carpick, R. W. Rate and state friction relation for nanoscale contacts: Thermally activated Prandtl—Tomlinson model with chemical aging. Phys. Rev. Lett. 2018, 120, 186101.
Tian, K. W.; Gosvami, N. N.; Goldsby, D. L.; Carpick, R. W. Stickslip instabilities for interfacial chemical bond-induced friction at the nanoscale. J. Phys. Chem. B 2018, 122, 991–999.
Tian, K. W.; Li, Z. H.; Liu, Y.; Gosvami, N. N.; Goldsby, D. L.; Szlufarska, I.; Carpick, R. W. Linear aging behavior at short timescales in nanoscale contacts. Phys. Rev. Lett. 2020, 124, 026801.
Giessibl, F. J. Atomic resolution of the silicon (111)-(7 × 7) surface by atomic force microscopy. Science 1995, 267, 68–71.
Giessibl, F. J. Advances in atomic force microscopy. Rev. Mod. Phys. 2003, 75, 949–983.
Fatayer, S.; Schuler, B.; Steurer, W.; Scivetti, I.; Repp, J.; Gross, L.; Persson, M.; Meyer, G. Reorganization energy upon charging a single molecule on an insulator measured by atomic force microscopy. Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 376–380.
Pavliček, N.; Gross, L. Generation, manipulation and characterization of molecules by atomic force microscopy. Nat. Rev. Chem. 2017, 1, 0005.
Giessibl, F. J. The qPlus sensor, a powerful core for the atomic force microscope. Rev. Sci. Instrum. 2019, 90, 011101.
An, S.; Kim, B.; Kwon, S.; Moon, G.; Lee, M.; Jhe, W. Bifurcation-enhanced ultrahigh sensitivity of a buckled cantilever. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2018, 115, 2884–2889.
An, S.; Kim, C.; Jhe, W. Buckling tip-based nanoscratching with in situ direct measurement of shear dynamics. Appl. Nanosci. 2019, 9, 67–76.
An, S.; Jhe, W. Nanopipette/nanorod-combined quartz tuning fork-atomic force microscope. Sensors 2019, 19, 1794.
Lee, M.; Jhe, W. General theory of amplitude-modulation atomic force microscopy. Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 036104.
Lee, M.; Jahng, J.; Kim, K.; Jhe, W. Quantitative atomic force measurement with a quartz tuning fork. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 023117.
Lee, M.; Sung, B.; Hashemi, N.; Jhe, W. Study of a nanoscale water cluster by atomic force microscopy. Faraday Discuss. 2009, 141, 415–421.
An, S.; Sung, B.; Noh, H.; Stambaugh, C.; Kwon, S.; Lee, K.; Kim, B.; Kim, Q.; Jhe, W. Position-resolved surface characterization and nanofabrication using an optical microscope combined with a nanopipette/quartz tuning fork atomic force microscope. Nano-Micro Lett. 2014, 6, 70–79.
Sahagún, E.; García-Mochales, P.; Sacha, G. M.; Sáenz, J. J. Energy dissipation due to capillary interactions: Hydrophobicity maps in force microscopy. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 176106.
Goertz, M. P.; Houston, J. E.; Zhu, X. Y. Hydrophilicity and the viscosity of interfacial water. Langmuir 2007, 23, 5491–5497.
Li, T. D.; Gao, J. P.; Szoszkiewicz, R.; Landman, U.; Riedo, E. Structured and viscous water in subnanometer gaps. Phys. Rev. B 2007, 75, 115415.
Mirsaidov, U. M.; Zheng, H. M.; Bhattacharya, D.; Casana, Y.; Matsudaira, P. Direct observation of stick-slip movements of water nanodroplets induced by an electron beam. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012, 109, 7187–7190.
Wang, F. C.; Wu, H. Molecular origin of contact line stick-slip motion during droplet evaporation. Sci. Rep. 2015, 5, 17521.
Patek, S. N. Spiny lobsters stick and slip to make sound. Nature 2001, 411, 153–154.