Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Molekulární dynamická simulace.

Prezentace na téma: "Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Molekulární dynamická simulace."— Transkript prezentace:

1 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Molekulární dynamická simulace zdroj: www.accelrys.com  Všeobecně  Historie  Teorie  Modely povrchů  Oblasti aplikace  Závěr  Obsah

2 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Všeobecně o MD 1 * makrosvět mikrosvět

3 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 MDmolekulární dynamika CMD klasická molekulární dynamika Výhody  snadné kontrola geometrie, kluzných podmínek, interakcí mezi atomy atd. Nevýhody  někdy komplikovaný model potenciálů  vystihnutí reálných podmínek  omezené velikosti modelů a omezený čas (např. 10 6 částic = 50nm, 10 6 čas. kroků = 10ns) Všeobecně o MD 1 * http://unit.aist.go.jp www.aero-space.nasa.gov

4 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9  původ 50 léta Alder and Wainwright  1964 realistické potenciály, Rahman  1974 simulace reálného systému – voda  1977 první simulace proteinu  80 a 90 léta bouřlivý vývoj technik sim. Historie 2 * zdroj: http://www.nersc.gov

5 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Počítačová molekulární simulace  Model potenciálů  Udržování konstantní teploty  Aplikace zatížení a smýkání Teorie metody 3 * zdroj: http://www.netsci.org/

6 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Počítačová molekulární simulace Model potenciálů  Udržování konstantní teploty  Aplikace zatížení a smýkání Teorie metody 3 * Lennard-Jones potenciál > reálné mezimolekulární interakce > studium obecného chování > nevhodné pro speciální materiály  Embedded atom metoda  Bond angle metoda  Stretching, bending, torsional energies www-users.york.ac.uk/ ~dq100 > >

7 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Počítačová molekulární simulace Model potenciálů  Udržování konstantní teploty  Aplikace zatížení a smýkání Teorie metody 3 *  Lennard-Jones potenciál Embedded atom metoda EAM > simulace kovů > defekty, tribologie  Bond angle metoda  Stretching, bending, torsional energies Zdroj: www.sc.doe.gov > >

8 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Počítačová molekulární simulace Model potenciálů  Udržování konstantní teploty  Aplikace zatížení a smýkání Teorie metody 3 *  Lennard-Jones potenciál  Embedded atom metoda Bond angle metoda > použití u polymerů > 3 členný potenciál  Stretching, bending, torsional energies Zdroj: helix.nih.gov > >

9 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Počítačová molekulární simulace Model potenciálů  Udržování konstantní teploty  Aplikace zatížení a smýkání Teorie metody 3 *  Lennard-Jones potenciál  Embedded atom metoda  Bond angle metoda Stretching, bending, torsional energies > nejsofistikovanější 4 členné pot. > závisí na pozici sousedních molekul > vazbám je umožněno přeuspořádání http://cheminfo.chemi.muni.cz > >

10 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Počítačová molekulární simulace  Model potenciálů Udržování konstantní teploty  Aplikace zatížení a smýkání Teorie metody 3 * odvod tepla součástmi > napojení atomů na heat baths  odvod tepla do okolí  rovnovážné systémy  nerovnovážné systémy > >

11 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Počítačová molekulární simulace  Model potenciálů Udržování konstantní teploty  Aplikace zatížení a smýkání Teorie metody 3 *  odvod tepla součástmi odvod tepla do okolí > použití Langevin metody  rovnovážné systémy  nerovnovážné systémy > > Zdroj: edu.ioffe.ru

12 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Počítačová molekulární simulace  Model potenciálů Udržování konstantní teploty  Aplikace zatížení a smýkání Teorie metody 3 *  odvod tepla součástmi  odvod tepla do okolí rovnovážné systémy > udržení konstantní kinetické energie – jednotnou změnou velikosti rychlostí > spojením atomů a lokálními termostaty  nerovnovážné systémy > >

13 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Počítačová molekulární simulace  Model potenciálů Udržování konstantní teploty  Aplikace zatížení a smýkání Teorie metody 3 *  odvod tepla součástmi  odvod tepla do okolí  rovnovážné systémy nerovnovážné systémy > Langevin metoda > Nóse-Hoover metoda > > Zdroj: edu.ioffe.ru

14 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Počítačová molekulární simulace  Model potenciálů  Udržování konstantní teploty Aplikace zatížení a smýkání Teorie metody 3 *  konstantní normálné zatížení  konstantní separace mezi povrchy  přidání pružin mezi rozhraní - tuhost  hranice pokládáme za tuhé  přidání elastické hmoty mezi povrchy  >

15 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9  1D  Tomlinson model  Frenkel-Kontramova model  2D  zobecněný Tomlinson model  zobecněný Frenkel-Kontranova m.  3D  např. superpozice 2D Tomlinson m.  Modely systémů 4 * zdroj: Robbins [1] a) Dva ideální krystalické povrchy b) Tomlinson model c) Frenkel-Kontranova m.

16 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9  Suché smýkání krystalických povrchů  efekt souměrnosti  chemicky neutrální povrchy  kontakt jednotlivých nerovností  Mazané povrchy  podmínky HD mazání  tenké filmy  mazání na úrovni monovrstev  nerovné povrchy  Stick-Slip efekt  Silně nevratné tribologické procesy  plastická deformace  opotřebení  tribochemie Oblasti aplikace 5 * zdroj: He [2],

17 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9  Suché smýkání krystalických povrchů efekt souměrnosti  chemicky neutrální povrchy  kontakt jednotlivých nerovností Oblasti aplikace 5 * zdroj: He [2] > Souměrný Shoda - mřížkový parametr - orientace  Souměrné povrchy se v praxi téměř nevyskytují  Hirano a Shinjo – dva rovné silně adhezivní, nesouměrné jsou vhodné k docílení nulového statického tření.  Müser a Robbins – interakce uvnitř povrchu musejí být o řád slabší než interakce mezi povrchy, aby nastalo statické tření (nesouměrné stěny).

18 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9  Mazané povrchy  podmínky HD mazání  tenké filmy  mazání na úrovni monovrstev nerovné povrchy Oblasti aplikace 5 * zdroj: Gao [3] >  Gao, Landman  Hexadekan (n-C16H34) mezi dvěma Au základovými stěnami (1) velká mezera h aa = 17,5 Ǻ (2) blízko kontaktu h aa = 4,6 Ǻ (3) nerovnosti v kontaktu h aa = -6,7 Ǻ

19 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9  Stick-Slip efekt Oblasti aplikace 5 * zdroj: Robbins [1]  efekt „zadrhnutí – sklouznutí“  příklady v praxi: skřípání pantů u dveří, nebo např. hudba vycházející z houslí  opakované uváznutí v metastabilním poloze – lokální minimum potenciální energie  opakované přeměny Elastická enegrie – kinetickou enegii a) třecí síla vztažená na plochy b) posunutí vrchní vrstvy c) vzdálenost mezi oběma stěnami d) Debye-Waller faktor

20 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9  Silně nevratné tribologické procesy  plastická deformace  opotřebení tribochemie Oblasti aplikace 5 * zdroj: Harrison [5] >  spojení chemie a tribologie  Harrison  dva diamantová povrchy  dva diamantová povrchy, na jednom z nich 1/8 povrchu nahradil methyl, ethyl, n-propyl skupinami  nový typ přechodů mezi metastabilními stavy – methylové skupiny se odvalovaly po sobě  zvýšení délky řetězců vedlo k velkému sníženi F k  potíží je pouze nadměrné opotřebení

21 Fakulta strojního inženýrství Petr Šperka, PPK ÚK 05/2006 TRIBOLOGIE – Molekulární dynamická simulace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Děkuji za pozornost 1.ROBBINS Mark O., MÜSER Martin H., Computer Simulations of Friction, Lubrication and Wear, To appear in the Handbook of Modern Tribology edited by Bharat Bhushan, CRC Press, ISBN: 0849384036, 2000 2.HE, G., MÜSER, M. H., and ROBBINS, M. O. (1999), “Adsorbed Layers and the Origin of Static Friction”, Science 284, 1650–1652 3.GAO, J., LUEDTKE, W. D., and LANDMAN, U. (1995), “Nano-Elastohydrodynamics: Structure, Dynamics, and Flow in Non-uniform Lubricated Junctions”, Science 270, 605–608. 4.Vypracováno na základě přehledového článku, ŠPERKA Petr, „Molekulární dynamická simulace“. 5.HARRISON, J. A., WHITE, C. T., COLTON, R. J., and BRENNER, D. W. (1992b), “Molecular-Dynamic Simulations of Atomic-Scale Friction of Diamond Surfaces”, Phys. Rev. B 46, 9700–9708. Závěr 6 * Zdroj: www.accelrys.com