Всеки път, когато двигател стартира, върху металните му повърхности се разгръща скрита молекулярна драма. Тъй като смазочните материали стават по-тънки в стремежа си към енергийна ефективност, маслените филми стават крехки, а триенето все повече зависи от процеси, протичащи в пролуки с дебелина само десетки нанометри. В този режим, известен като гранично смазване, не насипното масло е от най-голямо значение, а добавките, които прилепват към повърхностите. Екип от университета в Киото и Технологичния институт в Киото е използвал наномащабна прецизност, за да проследи как добавката полиметилметакрилат (PMA) изгражда, укрепва и възстановява адсорбционния си филм по време на плъзгане.
Добавките PMAпървоначално не са били предназначени за борба с триенето. Те са били въведени в смазочните материали като сгъстители на вискозитетния индекс - дълговерижни полимери, добавени, за да се предотврати прекаленото разреждане на маслото при високи температури. Но по-късно изследователите открили, че някои молекули PMA носят полярни групи, които се прикрепят към металните повърхности, образувайки смазочни филми с дебелина приблизително 10-100 нанометра, които намаляват триенето и износването, дори когато насипното масло вече не може да разделя повърхностите.
За да проучи поведението на тези филми, екипът от Киото е изградил тестер за триене, базиран на микроелектромеханични системи (MEMS). Вместо точкови контакти между топка и диск, изследователите са изработили филмови проби върху силициеви пластини с грапавост на плъзгащата се повърхност от само 0,34 нанометра. Плъзгащата се площ осигурява широка контактна площ от приблизително 1 квадратен милиметър, включваща много повече молекули в процеса на триене, отколкото конвенционалните тестери. Електростатично натоварване е държало повърхностите в паралелен контакт с наноразмерна маслена междина, а пиезоелектрична сцена е осигурявала плъзгане със скорост от само 0,05 микрометра в секунда.
Екипът е сравнил пет масла: базово масло от APIгрупа III, олефиново съполимерно (OCP) масло като неадсорбиращ контрол и три PMA-адитивни масла с различни молекулни тегла и съдържание на полярни групи. LowPMA1 и LowPMA2 са имали молекулно тегло от 30 000, но LowPMA1 е съдържал много полярни групи, докато LowPMA2 е имал почти никакви. HighPMA, с молекулно тегло от 430 000, е съдържал много полярни групи. С промяната на скоростта на срязване, базовото масло и OCPмаслото показаха класическо поведение, докато и трите масла с PMA-добавка показаха изразено приплъзване при ниски скорости - и, което е важно, коефициентът на триене остана нисък в целия този регион. При всяко от трите приложени напрежения, PMA-добавките поддържаха по-ниско триене от базовото масло и OCPмаслото.
Статистическият анализ показал, че дебелината на филма и на трите PMA-съдържащи масла надвишаваше тази на базовото масло и OCP-съдържащото масло. Добавките обаче се разминавалипод натоварване. LowPMA1, богат на полярни групи, поддържаше дебелина на филма от приблизително 30 нанометра независимо от напрежението, образувайки твърд, силно адсорбиран филм. LowPMA2, почти лишен от полярни групи, демонстрира намаляване на дебелината с увеличаване на напрежението до приблизително 23 нанометра - по-свиваем филм поради по-слабите сили на отблъскване между слабо адсорбираните молекули. HighPMAпоказа най-дебелия филм преди триене - приблизително 36 нанометра - но след натоварване той изтъня до приблизително 27 нанометра, въпреки че коефициентът на триене остана непроменен. Изследователите предполагат, че най-дългите вериги се адсорбират предимно върху повърхността, докато по-късите вериги слабо се отлагат върху тях. По време на плъзгане, срязващите сили премахват този слабо свързан горен слой, оставяйки здраво свързан филм, но наличието на жертвения слой преди плъзгане поддържа ниско триене.
Резултатите директно превръщат молекулярната структура в поведението на филма: броят на полярните групи определя твърдостта на адсорбирания филм, докато молекулното тегло определя дебелината и образуването на чувствителния на срязване горен слой. За разработчиците на смазочни материали това означава, че молекулното тегло на PMAи съдържанието на полярни групи трябва да се контролират заедно. Изследователите също така установиха, че маслата, съдържащи PMA, показват слаба зависимост на триенето от натоварването, което показва, че добавките не само намаляват триенето в граничния режим, но могат и да разширят областта с ниско триене до по-високи натоварвания. Ключов следващ въпрос остава термичната десорбция на полимери.
Ако бъдещата работа потвърди как тези наноразмерни филми се преструктурират под въздействието на топлина, пътят към по-ефективни двигатели ще бъде значително по-кратък.
