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省エネルギーの要請は摩擦・摩耗にまで波及し、摩擦界面での化学反応が重要性を増している。しかし、摩擦界面の観測は困難で、反応機構には未解明の部分が多い。そこで本研究では、量子化学に基づく摩擦シミュレーション手法を構築し、化学反応機構を明らかにすることで、低摩擦・低摩耗に向けた分子・材料設計を行うことを目的とする。
化学反応が重要な系として、水中で超低摩擦を発現するケイ素系セラミックスの酸化膜(SiO2)に注目する。ケイ素系セラミックスは摩擦界面での化学反応によって、潤滑膜が形成すると考えられているが、詳細は明らかになっていない。
初年度は第一原理分子動力学法(第一原理MD)を用いた高精度摩擦シミュレーションを行った。その結果、摩擦界面での表面同士の接触がSiO2表面の加水分解反応Si-O-Si+H2O→2(Si-OH)を誘起し、化学摩耗を引き起こすことを明らかにした。また、大規模摩擦シミュレーションに向け、第一原理MDより千倍高速に計算可能な密度汎関数強束縛分子動力学(DFTB-MD)法のプログラムを開発した。
次年度はDFTB-MD法の高速化を行い、千原子以上の大規模摩擦シミュレーションを達成した。反応分子動力学法も併用し、大規模摩擦シミュレーションを行ったところ、加水分解による化学摩耗で生じたSiO2摩耗粉が水に溶けることでコロイダルシリカが形成し、摩耗したSiO2表面に水が浸透して水和層が形成した。コロイダルシリカと水和層からなる二重の潤滑膜が、それぞれ摩擦力低減と耐荷重性向上を担うことで、超低摩擦を示すことが明らかになった。さらに、実験グループと協力し、二重の潤滑膜の存在を実証することに成功した。
以上の結果を受け、加水分解反応をコントロールし、コロイダルシリカの粘度や水和層の厚さなどを調整することで、さらに低摩擦・高耐久な潤滑システムの設計指針となることを提案した。
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