модель для анализа рельефа любых размеров создали в ИТМО
Ученые ИТМО разработали вычислительную модель, которая предсказывает, как меняется площадь контакта между шероховатыми поверхностями под нагрузкой. Модель одинаково хорошо работает для объектов любого размера — от крошечных наночастиц до горных хребтов. Исследование помогает по-новому взглянуть на природу трения и потенциально пригодится для различных задач — от создания более износостойких деталей до исследования рельефа планет. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Horizons.
Многие устройства — колеса автомобилей, электродвигатели, турбины самолетов и атомных электростанций и самые обычные бытовые приборы — не монолитны и состоят из разных деталей. Они соединяются механически, и в процессе работы между ними неизбежно возникает трение. Это приводит к быстрому износу, поэтому специалисты ищут разные способы улучшить сцепление и сделать контакт более гладким.
Чтобы лучше понимать, как происходит сцепление между поверхностями в зависимости от их гладкости или шершавости, физики и материаловеды изучают параметры внешнего облика и текстуры рельефов. Традиционно рельеф измеряют с помощью физических методов: атомно-силовой микроскопии, профилометрии или спутниковых измерений — в зависимости от масштаба объектов. Однако эти методы не способны определять некоторые важные особенности рельефа, от которых зависят свойства поверхностей и материалов. Например, латеральные характеристики (описывают направление неровностей) и многомасштабные (описывают шероховатость на разных уровнях увеличения масштаба).
Для решения этой проблемы используют математические инструменты, которые позволяют определять эти характеристики на основе данных. При этом большинство существующих подходов также работает с ограниченными масштабами поверхностей: либо с нано- и микроскопическими размерами (например, наночастицами), либо с макроуровнем (например, спутниковыми снимками поверхности Земли).
Физики из ИТМО создали новый алгоритм для анализа параметров рельефа поверхности почти любого размера — от наноразмерной текстуры тонких полимерных пленок до макроразмерных данных о топографии горных хребтов Земли. На основе данных о поверхностях модель показывает, как они будут взаимодействовать между собой, и позволяет ответить на важный для физики вопрос: в какой момент два «шершавых» тела, приложенных друг к другу, начнут проскальзывать. Для этого она анализирует карты высот рельефа поверхности любых размеров — от единиц нанометров до нескольких километров и рассчитывает количество, геометрические и топологические характеристики формы контактных площадок.
Данные о высоте рельефа загружаются в модель в виде квадратной матрицы, каждый пиксель которой обозначает высоту в конкретной точке. Затем программа рассчитывает перепад между максимальной и минимальной точками рельефа, и этот диапазон делится на определенное количество уровней давления. На последнем этапе модель определяет, как рельеф поверхности будет контактировать с другой поверхностью на каждом из этих уровней.
Для отработки метода исследователи использовали результаты атомно-силовой микроскопии (например, данные о рельефе поверхности пластины полупроводникового кремния, полимерных пленок, пленок из бактериального сырья, тонких пленок диоксида вольфрама), растровой электронной микроскопии (микрокристаллиты оксидов переходных металлов), «синтетические» рельефы, а также топографические данные различной местности: Карельских озер, Гранд-Каньона, гор Арарат и Фудзияма.
«Мы не только предложили новый метод вычисления важных признаков рельефа поверхности, но и открыли новое явление: вне зависимости от масштаба и природы поверхности, инструментов измерения, соотношения численных, геометрических и топологических параметров контактных площадок рельефа все поверхности развиваются очень похожим образом. Это означает, что все поверхности — и гора Фудзи, и наноструктурированная поверхность латуни подчиняются одним законам и реагируют на сжатие одинаковым образом. Новая гипотеза позволит быстро и точно прогнозировать взаимодействие поверхностей в разных областях — от микроэлектроники до геологии», — рассказал один из авторов исследования, инженер научно-образовательного центра инфохимии Александр Агликов.
В перспективе новая модель поможет лучше понять процессы трения, износа и деформации объектов. Это пригодится при создании более износостойких покрытий и надежных механизмов, а также в исследовании поверхности Земли: например, чтобы определить, как образуется русло реки, из каких притоков она состоит, из какой площади собирает воду. Потенциально разработка может найти применение и в космических исследованиях: например, с ее помощью можно будет сравнивать ударные кратеры на различных космических телах и определять, насколько похожими были столкновения с метеоритами.
Информация предоставлена пресс-службой Университета ИТМО
Источник фото: ru.123rf.com
Источник Еще новости... Nissan на пороге новой эры: автопилот, электромобили и технологии будущего в 2027 году 23.09.2025 Приседания и не только: эти пять упражнений замедлят старение после 40 лет 23.09.2025 Российские однофотонные детекторы зарекомендовали себя в квантовой криптографии и медицине 23.09.2025 Последние исследования показывают, что ИИ всё чаще использует материалы из научных статей, которые отозваны за ошибки и фальсификации 23.09.2025 В Сибири построят генетический центр для селекции растений 23.09.2025 ИИ в химии, новые материалы и «переключаемые» молекулы. Студенческий тур в ИОНХ РАН 23.09.2025 Загрузить еще... Tags: ИТМОмодельрельеф