超低摩擦を実現する量子論に基づくマルチスケールトライボケミカルシミュレータの開発

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現在、環境問題・エネルギー問題解決のためには低摩擦特性・高耐久性をもつ潤滑剤の迅速な開発が強く求められている。そのためには、マルチスケールで起こる様々な摩擦現象を明らかにすることで、低摩擦・高耐摩耗潤滑剤の設計指針を決定する必要がある。そこで本研究では、潤滑剤が低摩擦を実現するためのメカニズムを明らかにするため、化学反応を伴う摩擦現象を解明可能な量子論に基づくマルチスケールトライボケミカルシミュレータの開発に関する研究を行った。今年度は、Tight-Binding量子分子動力学法と第一原理計算を組み合わせ、水潤滑におけるDLC膜の摩擦プロセスを検討した。その結果、圧力の増加に従って摩擦係数が下がることを明らかにした。これは実験結果と一致しているが、境界潤滑における一般的なストライベック曲線では、圧力の増加に従って摩擦係数が上がっており、逆の傾向を示している。そこで、その原因を明らかにするため、高圧力条件における摩擦後のDLC膜表面構造を調べた結果、摩擦下の化学反応によってDLC表面にC-O-C結合が生成することを明らかにした。また、C-O-C結合の生成がDLC表面の構造に与える影響について検討するため、第一原理計算を用いて酸素原子を添加したダイヤモンド結晶の構造を調べた。その結果、酸素原子近くの六員環構造が五員環構造に変化し、表面のsp3炭素原子がsp2炭素原子に変化することで低摩擦化に寄与することを明らかにした。これが、圧力の増加に従って摩擦係数が上がるという、ストライベック曲線とは逆の傾向を示した原因であることを明らかにした。以上より、低摩擦機構を明らかにするためには、摩擦下の化学反応を考慮することが重要であることを明らかにした。