2021 Fiscal Year Annual Research Report
１億原子系トライボ化学反応シミュレータの開発と超低摩耗実現のための理論基盤の構築
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21H01235
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
久保 百司 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (90241538)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
足立 幸志 東北大学, 工学研究科, 教授 (10222621)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | トライボ化学反応 / 分子動力学シミュレータ / 超低摩耗 / 超低摩擦 / 反応力場 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
省エネルギー対策に対する強い要請から、自動車を始めとする機械産業において、超低摩擦・超低摩耗技術の実現が急務の課題となっている。代表者は世界に先駆けて量子論に基づきトライボ化学反応を解明可能なシミュレータを開発してきたが、量子論では大規模計算が困難なため摩耗現象を解明できない問題が顕在化してきた。そこで本研究では、量子論に基づかなくても化学反応を解明可能な反応力場分子動力学法を発展させ、１億原子系でトライボ化学反応を解明可能なシミュレータを開発し、「化学反応」と「機械的摩擦」が複雑に絡み合った摩耗現象の解明を可能とすることで、超低摩耗を実現するためのトライボ化学反応の制御基盤と学理を構築することを目的とした。
本年度は、開発済みのトライボ化学反応を解明可能な反応力場分子動力学シミュレータと化学反応を扱えないが数百万原子系を計算可能な並列化分子動力学シミュレータを融合することで、数百万原子系でトライボ化学反応を解明可能な並列化反応力場分子動力学シミュレータの開発に成功するとともに、実際に百万原子以上の系でトライボ化学反応シミュレーションを実現した。さらに近年、潤滑剤として期待されている酸化グラフェンの低摩擦・低摩耗メカニズムについて検討を行った。具体的にはダイヤモンドライクカーボンの摩擦において、摩擦界面に酸化グラフェンとグラフェンを導入した場合のシミュレーションを実施した。その結果、グラフェンは流動性が高く摩擦界面から排出されやすいのに対し、酸化グラフェンは摩擦基板に固着することで炭素系の潤滑膜を形成し、基板同士の凝着を防ぐ可能性があることを提言した。さらに実験研究では、ダイヤモンドライクカーボンとジルコニアの摩擦において、窒素ガスを用いたバブリングによるエタノールガス潤滑を行ったところ、炭素系の潤滑膜が形成され、摩擦係数0.02程度の低摩擦が実現されることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、当初の予定通り、開発済みのトライボ化学反応を解明可能な反応力場分子動力学シミュレータと化学反応を扱えないが数百万原子系を計算可能な並列化分子動力学シミュレータを融合することで、数百万原子系でトライボ化学反応を解明可能な並列化反応力場分子動力学シミュレータを開発することに成功した。さらに、百万原子以上から構成される摩擦界面をモデル化するとともに、実際に開発した反応力場分子動力学シミュレータを活用したシミュレーションを行うことで、開発シミュレータが百万原子以上の摩擦界面モデルに対して、トライボ化学反応を解明可能であることを実証した。
また本年度は、当初の予定通り、固体潤滑の「摩耗現象」におけるトライボ化学反応の解明と「超低摩擦・超低摩耗を生み出す潤滑膜の形成過程」の解明を行った。具体的には、炭素系の潤滑膜を形成されると期待されている酸化グラフェンを潤滑剤として、ダイヤモンドライクカーボンの摩擦シミュレーションを実施した。その結果、酸化グラフェンが摩擦基板に固着することで、潤滑膜を形成するメカニズムを明らかにするとともに、この炭素系潤滑膜が基板同士の凝着を防ぐ可能性があることを提言した。特に、酸化されていないグラフェンを潤滑剤として用いた場合には、グラフェンは流動性が高く摩擦界面から排出されるため、酸化グラフェンに比較して炭素系潤滑膜を形成しにくいことも明らかにした。
さらに実験研究として、本年度は当初の予定通り、固体潤滑における「超低摩擦現象と超低摩耗現象」の研究を実施した。具体的には、炭素系の潤滑膜の形成が期待されるエタノールガス潤滑について研究を実施し、ダイヤモンドライクカーボンとジルコニアの摩擦において、窒素ガスを用いたバブリングによるエタノールガス潤滑を行ったところ、炭素系の潤滑膜が形成され、摩擦係数0.02程度の低摩擦が実現されることを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、下記の計画に基づき研究を遂行する。
（１）１億原子系でトライボ化学反応を解明可能な並列化反応力場分子動力学シミュレータの開発：2021年度に開発した反応力場分子動力学シミュレータに高速計算手法を導入することで、１億原子系でトライボ化学反応を解明可能なトライボ化学反応シミュレータを開発する。
（２）水潤滑の「摩耗現象」におけるトライボ化学反応の解明：水潤滑においては摩耗現象が原因となる潤滑膜の消失によって水を摩擦界面に維持できなくなる水切れが、故障や事故を引き起こす原因として問題となっている。そこで、開発したトライボ化学反応シミュレータを活用し、水潤滑における摩耗現象の解明を実施する。
（３）水潤滑における「超低摩擦・超低摩耗を生み出す潤滑膜の形成過程」の解明：分担者の足立は、ダイヤモンドライクカーボンの水潤滑において、水潤滑前に空気中で摩擦することによって、１桁低い摩擦係数を示すことを見出している。これは、空気中酸素によるトライボ化学反応によって全く異なるナノ界面が創成されたことを意味する。そこで、開発したトライボ化学反応シミュレータを活用し、酸素・水蒸気などの予すべりによって生成する潤滑膜の形成過程を解明する。
（４）実験研究による水潤滑における「超低摩擦現象と超低摩耗現象」の検証：理論的に明らかになった水潤滑における超低摩擦・超低摩耗現象の実験的検証を行う。さらに、シミュレーション結果との比較・検討を行い、理論にフィードバックする。
最終年度は、下記の研究計画に基づき研究を遂行する。（１）油潤滑の「摩耗現象」におけるトライボ化学反応の解明、（２）油潤滑における「超低摩擦・超低摩耗を生み出す潤滑膜の形成過程」の解明、（３）実験研究による油潤滑における「超低摩擦現象と超低摩耗現象」の検証、（４）超大規模計算による「超低摩擦現象と超低摩耗現象」の理論基盤の構築。
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