2021 Fiscal Year Annual Research Report
Correlation between load and stacking structure of superlubricity at Van der Waals layered structure / nanocarbon molecules interface
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21H01747
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
佐々木 成朗 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (40360862)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三浦 浩治 電気通信大学, ナノトライボロジー研究センター, 客員教授 (50190583)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 超潤滑 / フラーレン / グラフェン / 接触 / 分子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分子力学シミュレーションを用いて、グラフェン/C60/グラフェン積層界面の滑り過程の荷重依存性を、最大静摩擦力（最大水平力）と動摩擦力（平均水平力）の変化として調べた。分子力学法には、我々のグループで開発したTersoffポテンシャル-拡張LJポテンシャル複合モデルにもとづくエネルギー極小化の手法を用いた。封入C60分子の配向を変えて圧縮および滑り摩擦の分子力学シミュレーションを行った。
(1) 圧縮特性：AB積層構造（C60の六員環をグラフェンシートに向けた配向）と、OT積層構造（C60の単一の炭素原子をグラフェンシートに向けた配向）でグラフェン/C60/グラフェン界面の安定構造を計算したところ、グラフェン-グラフェン間距離はAB積層構造では1.31 nm, OT積層構造では1.32 nmとなった。次に圧縮時の有効硬さ解析から、界面の硬さを支配する因子が分子配向によって異なることが判明した。つまり全系の硬さを決定する因子は、AB積層構造では荷重によらず常に相互作用由来の硬さ成分だが、 OT積層構造では荷重の増加に伴い、相互作用由来の硬さ成分からC60由来の硬さ成分へ移行した。
(2) 摩擦特性：低荷重領域での平均水平力の荷重依存性から、各積層構造で動摩擦係数が著しく変化し、封入C60の分子配向が摩擦特性に極めて大きな影響を与えることが判明した。整合性の良い走査方向へのAB積層構造の場合、アモントン・クーロン則（摩擦が荷重に比例する）は、低荷重領域(平均荷重<Fz> < 1 nN)では成立するが、高荷重領域では破綻することが分かった。
本解析から、グラフェン/C60/グラフェン界面の摩擦・超潤滑特性が封入C60の分子配向に強く依存し、界面の構造設計が 薄膜の圧縮特性や摩擦・超潤滑特性の制御に極めて重要であることが示された。
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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
コロナ禍による学会延期により結果のまとめが遅れたが、C60/グラフェン界面、グラフェン/グラフェン界面の圧縮特性と摩擦特性に関して典型的な配向と走査方向に関するシミュレーション結果を系統的にまとめる作業を開始することが出来た。またグラフェン/グラフェン界面では界面エネルギーの理論公式の導出に成功している。
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| Strategy for Future Research Activity |
AB、OT積層配向と特定の走査方向に関するシミュレーション結果を系統的にまとめることが出来たので、今後は下記の点に注目して進める。
(1) グラフェン/C60/グラフェン界面の圧縮特性と摩擦特性：不整合な走査方向についても、平均水平力(動摩擦力)の平均垂直力(荷重)依存性を計算する。各荷重での水平力曲線とC60の運動を比較して、走査中のC60の滑りや転がりがどのように水平力に反映し、エネルギー散逸が生じているのかを解析する。アモントン・クーロン則の走査方向依存性を議論し、グラフェン/C60/グラフェン積層界面固有のナノトライボロジー特性を明らかにする。
(2) 封入C60のダイナミクス：グラフェンシートの走査過程でC60は、不連続スリップ、狭い範囲へのスティック、連続的スライドの三種類の特徴的な動きを見せる。これをグラフェンシートの走査に伴う、C60と上下で接する二枚グラフェンシートの六員環の結晶格子の咬み合わせの変化と捉えた時、相互作用ポテンシャルエネルギーの観点からその動きが生じる理論づけを行う。
(3) グラフェン/グラフェン界面の凝着・摩擦特性：(1)の基本となるグラフェン/グラフェン界面の吸着エネルギーを理論的に導出し、凝着特性、摩擦特性を理論とシミュレーションの双方から議論し、カーボンネットワーク界面の摩擦の素過程を明らかにする。
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