Grafit-platin ara yüzeylerinde nano sürtünmenin atomistik modellenmesi
Grafit-platin ara yüzeylerinde nano sürtünmenin atomistik modellenmesi
Yazar: SÜMEYYE CÖRÜT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMRAN İPEK
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı / Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Nano ölçekte sürtünme mekanizması günümüzde zorlu bir problemdir. Çünkü, bu mekanizma temas eden yüzeylerin yapısal özelliklerine ve atom ölçeğinde dengede olmayan süreçlerine bağlıdır. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) deneylerindeki son gelişmeler, atom ölçeğindeki sürtünmenin yapışkan kayma veya sürekli davranış sergileyebileceğini ortaya koymaktadır. Yapısal kayganlık kayıtsız ara yüzler (orantılı olmayan) ve kayıtlı ara yüzler (orantılı) için yağlama davranışını açıklar ve bu da yüzeyler arasındaki etkileşime bağlıdır. Ayrıca, ortam koşullarında, bu yüzeyleri kirleten moleküllerle bile yapısal yağlama elde edilebilir. Yapısal kayganlık, kayıtlı ara yüzler arasındaki etkileşime bağlı olduğundan, atom ölçeğindeki etkileşim enerjisi profili, bu sürtünme mekanizması için daha iyi bir görüş sağlar. Bu nedenle, bu çalışmada atomik modelleme yöntemlerini kullanarak platin nanopartikülün grafit katmanları üzerindeki kayganlık özelliklerini inceledik. Yarıçapı 6.5 Å olan 369 atomlu [111] yönünde heaxgonal yüzlerden oluşan Platin nanoparçacık seçtik. Pt nanoparçacık ve grafit arasındaki sürtünme simülasyonu için dört katmanlı grafit seçilmiştir. Pt nanoparçacık, belirli bir yönde sabit bir hızla AFM ucu ile deneylerde için de aynı değer 16 meV/A^2 yay sabitne sahip bir yay ile çekilmiştir. 4 K'deki simülasyon sırasında sürtünme kuvveti (yanal kuvvet) ve hem orantılı hem de orantısız olmayan ara yüzler arasındaki toplam enerji profili (20- 140 nN) yükleme kuvvetleri altında hesaplanmıştır. Sürtünme katsayısının yükleme kuvvetinin artmasıyla arttığını bulduk. Sürtünme katsayısının, Pt nanoparçacık ve grafitin orantılı ara yüzü için yükleme kuvvetine bağlı olarak 0.01 ile 0.06 arasında olduğu bulunmuştur. Ayrıca Pt nanoparçacık grafit yüzeyine göre  17^°döndürülmüş orantısız arayüz için sürtünme kuvveti hesapladık. Bu teorik çalışmanın düşük sürtünmeli yeni malzemelerin tasarlanmasına yardımcı olabileceğini ve böylece daha az enerji tüketimine neden olacağını umuyoruz.

Anahtar Kelimeler: Süper kayganlık, Yapısal Kayganlık, Nanotribolji, Platin Nanopartikülle

Abstract:
The friction mechanism at nanoscale is a challenging problem today. Because, this mechanism depends on the structural properties of contacting surfaces and non-equilibrium processes at atomic scale. Recent advances in Atomic Force Microscope (AFM) experiments reveal that friction at atomic scale can exhibit stick-slip or continous behaviour. Structural lubricity explains the lubric behaviour for unregistered interfaces (incommensurate) and registered interfaces (commensurate) and it depends on the interaction between surfaces. Since it depends on the interaction between surfaces. Moreover, at ambient conditions structural lubricity can be realized even with molecules that contaminate these surfaces. Since structural lubricity depends on the interaction between registered interfaces, interaction energy profile at the atomic scale gives better insight for this friction mechanism. Therefore, In this study we have studied lubricty properties of the platinum nanoparticle on the graphite layers using atomic modelling methods. We have chosen Platinum nanoparticle with 369 atoms having radius of 6.5 Å. with heaxgonal faces in the direction of [111]. Four layer graphite is chosen for simulation of friction between Pt nanoparticle and graphite. Pt nanoparticle have been pulled with a spring with spring constant of 16 meV/A^2 which is the same value for AFM tip experiments with a constant velocity in certain direction. During simulation at 4 K, the friction force (lateral force) and total energy profile between both commensurate and incommensurate interfaces have been calculated under loading forces of (20- 140 nN).  We have found that the friction coefficent increas with increasing of loading force. The friction coefficent have been found to be between 0.01 and 0.06 depending on the loading force for commensurate interface of Pt nanoparticle and graphite. We also have calculated friction force for incommensurate interface where Pt nanoparticle has been rotated by 17^° relative to graphite surface. And, we have found that stick slip behaviour is main mechanism for sliding of Pt nanoparticle. We expect that this theoretical work can help to design new materials having low friction thus give rise to less energy consumption.

Keywords: Superlubricity, Structural Lubricity, Nanotribology, Platinum Nanoparticles.