磨损和摩擦是许多工业部门的关键问题:当一个表面滑过另一个表面时会发生什么?材料中必须预期哪些变化?这对机器的耐用性和安全性意味着什么?

 

在原子层面上发生的事情是不能直接观察到的。然而，现在有一个额外的科学工具可以用于这个目的:第一次，复杂的计算机模拟变得如此强大，以至于可以在原子尺度上模拟真实材料的磨损和摩擦。

 

由卡斯滕·加绍教授领导的维也纳工业大学摩擦学研究小组已经证明，杏耀主管这个新的研究领域现在已经在著名的科学期刊《ACS应用材料与界面》上发表了可靠的结果。用高性能计算机模拟了铜和镍的表面行为。结果与电子显微镜的图像惊人地一致，但它们也提供了有价值的额外信息。

 

摩擦改变微小颗粒

 

对于肉眼来说，当两个表面相互滑动时，它看起来并不是特别壮观。但在微观层面上，会发生高度复杂的过程:“金属，因为它们在技术中使用， 杏耀平台 ，有一种特殊的微观结构，”斯蒂芬·埃德尔博士解释说，他是当前出版物的第一作者。“它们由直径为微米或更小的小颗粒组成。”

 

当一种金属在高剪应力作用下滑过另一种金属时，两种材料的颗粒就会紧密接触:它们可以被旋转、变形或移动，它们可以被打碎成更小的颗粒，或者由于温度或机械力的升高而生长。所有这些过程,发生在微观层面,最终确定材料大规模的行为,因此他们也确定机器的使用寿命,损失的能量在一个电动机由于摩擦,或一个刹车是如何工作的,需要尽可能多的摩擦力。

 

计算机模拟与实验

 

Stefan Eder说:“这些微观过程的结果可以用电子显微镜来观察。”“你可以看到表面的纹理结构是如何变化的。然而，现在还无法研究这些过程的时间演变，并确切解释是什么导致了什么在什么时间影响了什么。”

 

现在，这一差距正被维恩大学摩擦学团队与位于维纳·诺伊斯塔特的卓越摩擦学中心和伦敦帝国理工学院合作开发的大型分子动力学模拟技术所填补:原子一个原子地在计算机上模拟表面。模拟材料块越大，模拟时间越长，需要的计算机能力就越大。Stefan Eder说:“我们在几纳秒的时间内模拟了边长高达85纳米的截面。”这听起来不算多，但却很了不起:即使是奥地利最大的超级计算机“维也纳科学集群4”(Vienna Scientific Cluster 4)，有时也可能一次要忙上几个月。

 

研究小组研究了铜镍合金的磨损情况，并使用了不同的铜镍合金混合比例和不同的机械载荷进行了研究。“我们的计算机模拟精确地揭示了各种过程、微观结构变化和磨损效应，这些都是已经从实验中知道的，”斯蒂芬·埃德尔说。“我们可以利用我们的模拟来产生与电子显微镜下的图像完全一致的图像。然而，杏耀平台总代理我们的方法有一个决定性的优势:我们可以在计算机上详细分析过程。我们知道哪个原子在什么时间改变了位置，以及在这个过程的哪个阶段，哪个粒子发生了什么。”

 

了解磨损优化工业流程

 

这种新方法已经引起了工业界的极大兴趣:“多年来，人们一直在讨论摩擦学是否可以从可靠的计算机模拟中受益。现在我们已经达到了这样一个阶段，模拟的质量和可用的计算能力是如此之大，以至于我们可以用它们来回答那些原本无法得到的令人兴奋的问题。”Carsten Gachot说。将来，他们还想在原子层面上分析、理解和改进工业过程。