超大規模分子動力学法による化学反応と機械力学を制御した超低摩耗技術の理論構築

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機械機器の故障や寿命の原因の約75%は、「摩擦」により引き起こされる「摩耗」に起因する。「超低摩耗現象の学理」を構築するため、低摩擦コーティング材ダイヤモンドライクカーボン(DLC)に着目し、大規模シミュレータを活用して、本年度はDLC摩擦界面の「なじみ」をもたらす化学反応プロセスの解析を行なった。既往の実験研究からDLCを大気中にて摺動させて、なじませた後に、水中で摺動すると低摩擦が得られる。これは、大気中での摺動によって起こった化学反応が原因であると考えられているが、原子スケールの詳細なメカニズムは明らかになっていない。そこで本研究では、水中におけるDLCの摩擦シミュレーションを行い、大気中でのなじみ過程の有無によるDLC表面構造の違いと摩擦・摩耗に与える影響を解析した。なじみ過程を経ない、水中でのDLCの摩擦シミュレーションから、DLC表面は摩擦によって表面を覆うH終端が失われ、相手面との凝着を引き起こし、摩擦力・摩耗量の増大につながることがわかった。また、DLC表面と水が摩擦界面で反応すると、表面にH終端とOH終端が生成され、摩擦・摩耗を低減することがわかった。続いて、大気中を模した酸素環境中でのなじみ過程のシミュレーションの後に、水中にてDLCの摩擦シミュレーションを行った。その結果、なじみ過程なしの場合と比較して低い摩擦を示すことがわかった。界面構造の解析の結果、なじみ過程において酸素分子がDLC表面と反応してH終端を奪うため、その後の水中での摺動にてDLC表面にOH終端が生成しやすくなり、OH終端が増加することがわかった。OH終端がH終端よりもサイズが大きく、表面同士の凝着を防ぐ効果が大きいためと考えられ、OH終端はH終端よりもDLC同士の摩擦低減効果が大きいことが示された。これらのことから、DLCのなじみをもたらす化学反応メカニズムが明らかになった。