Специалисты ИТМО создали вычислительную модель, позволяющую прогнозировать изменения площади соприкосновения шероховатых поверхностей при воздействии нагрузки. Данная модель демонстрирует высокую точность для объектов различных масштабов, начиная от микроскопических наночастиц и заканчивая крупными геологическими образованиями. Проведенное исследование открывает новые перспективы для понимания природы трения и может найти применение в широком спектре задач, включая разработку более долговечных деталей и изучение рельефа планет. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Horizons.
Большинство устройств, таких как колеса транспортных средств, электродвигатели, турбины летательных аппаратов и электростанций, а также привычные бытовые приборы, не являются цельными и состоят из различных компонентов. Эти детали соединяются механически, и в процессе эксплуатации между ними возникает трение. Это вызывает ускоренный износ, поэтому эксперты разрабатывают методы для повышения сцепления и обеспечения более ровного контакта.
Для изучения взаимосвязи между сцеплением поверхностей и их шероховатостью или гладкостью, физики и специалисты по материаловедению исследуют параметры внешнего вида и структуры рельефов. Обычно для измерения рельефа используют физические методы, такие как атомно-силовая микроскопия, профилометрия или спутниковые измерения, выбор которых зависит от размеров исследуемых объектов. Однако эти методы не позволяют выявлять некоторые существенные особенности рельефа, влияющие на свойства поверхностей и материалов, например, латеральные характеристики (описывают направление неровностей) и многомасштабные (описывают шероховатость на разных уровнях увеличения масштаба).
Для решения данной проблемы применяют математические методы, позволяющие выявлять эти параметры, используя имеющиеся данные. Однако большинство известных подходов рассчитаны на работу с ограниченными размерами поверхностей: они могут анализировать нано- и микроскопические объекты, такие как наночастицы, или же работать с макроуровнем, к примеру, с изображениями Земли, полученными со спутников).
Разработка специалистов из ИТМО позволила создать новый алгоритм для анализа характеристик рельефа поверхности, охватывающий практически любой масштаб – от наноструктур тонких полимерных пленок до данных о топографии крупных горных массивов. Модель, основанная на информации о поверхностях, демонстрирует принципы их взаимодействия и позволяет определить, при каких условиях два шероховатых объекта, находящиеся в контакте, начнут скользить. Для этого алгоритм обрабатывает карты высот поверхности любого размера – от единиц нанометров до нескольких километров – и вычисляет количество, геометрические и топологические параметры формы зон контакта.
Информация о превышении рельефа поступает в модель в форме квадратной матрицы, где каждый пиксель представляет собой значение высоты в определенной точке. После этого программа вычисляет разницу между самой высокой и самой низкой точками рельефа, и этот интервал разделяется на заданное число уровней давления. В заключение, модель определяет, каким образом рельеф местности будет взаимодействовать с другой поверхностью на каждом из этих уровней.
В процессе разработки методики исследователи применяли данные, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии (в частности, информацию о неровностях поверхности пластин из полупроводникового кремния, полимерных пленок, пленок из бактериального сырья, тонких пленок диоксида вольфрама), растровой электронной микроскопии (микрокристаллические оксиды переходных металлов), искусственно созданные рельефы, а также топографические сведения о различных географических объектах: Карельских озерах, Гранд-Каньоне, горах Арарат и Фудзияма.
«Мы не просто предложили новый способ расчета ключевых характеристик рельефа, но и выявили ранее неизвестное явление: независимо от масштаба, типа поверхности, используемых инструментов измерения и соотношения числовых, геометрических и топологических параметров контактных площадок рельефа, все поверхности демонстрируют сходную эволюцию. Это говорит о том, что все поверхности, будь то гора Фудзи или наноструктурированная поверхность латуни, управляются одними и теми же законами и по-одному реагируют на сжатие. Предложенная гипотеза позволит оперативно и с высокой точностью прогнозировать взаимодействие поверхностей в различных областях – от микроэлектроники до геологии» , — по словам Александра Агликова, инженера научно-образовательного центра инфохимии и одного из разработчиков исследования.
В будущем новая модель позволит глубже изучить процессы трения, износа и деформации различных объектов. Полученные знания будут полезны при создании более износостойких покрытий и надежных механизмов, а также при исследовании поверхности Земли, например, для определения формирования русла реки, ее притоков и водосборной площади. Кроме того, существует потенциал для использования разработки в космических исследованиях: она позволит сравнивать ударные кратеры на разных космических телах и устанавливать степень схожести столкновений с метеоритами.
Сообщение поступило из пресс-службы Университета ИТМО