L'usura e l'attrito sono questioni cruciali in molti settori industriali:cosa succede quando una superficie scivola su un'altra? Quali cambiamenti ci si deve aspettare nel materiale? Cosa significa questo per la durata e la sicurezza delle macchine?

Ciò che accade a livello atomico non può essere osservato direttamente. Però, a questo scopo è ora disponibile un ulteriore strumento scientifico:per la prima volta, le complesse simulazioni al computer sono diventate così potenti che l'usura e l'attrito dei materiali reali possono essere simulati su scala atomica.

Il team di tribologia della TU Wien (Vienna), guidato dal Prof. Carsten Gachot, ha ora dimostrato che questo nuovo campo di ricerca ora fornisce risultati affidabili in una pubblicazione corrente nella rinomata rivista scientifica Materiali e interfacce applicati ACS . Il comportamento di superfici costituite da rame e nichel è stato simulato con computer ad alte prestazioni. I risultati corrispondono sorprendentemente bene alle immagini della microscopia elettronica, ma forniscono anche preziose informazioni aggiuntive.

L'attrito cambia i grani piccoli

Ad occhio nudo, non sembra particolarmente spettacolare quando due superfici scivolano l'una sull'altra. Ma a livello microscopico, avvengono processi molto complicati:"Metalli, come vengono utilizzati nella tecnologia, hanno una microstruttura speciale, " spiega il dottor Stefan Eder, primo autore della pubblicazione in corso. "Sono costituiti da piccoli grani con un diametro dell'ordine dei micrometri o anche meno".

Quando un metallo scivola sull'altro sotto un'elevata sollecitazione di taglio, i grani dei due materiali entrano in intenso contatto tra loro:possono essere ruotati, deformato o spostato, possono essere frantumati in grani più piccoli o crescere a causa dell'aumento della temperatura o della forza meccanica. Tutti questi processi, che avvengono su scala microscopica, determinano in definitiva il comportamento del materiale su larga scala e quindi determinano anche la vita utile di una macchina, la quantità di energia persa in un motore a causa dell'attrito, o come funziona un freno, in cui si desidera la massima forza di attrito possibile.

Simulazione ed esperimento al computer

"Il risultato di questi processi microscopici può quindi essere esaminato al microscopio elettronico, " dice Stefan Eder. "Si può vedere come è cambiata la struttura della grana della superficie. Però, non è stato ancora possibile studiare l'evoluzione temporale di questi processi e spiegare esattamente cosa causa quali effetti e in quale momento."

Questo divario viene ora colmato da grandi simulazioni di dinamica molecolare sviluppate dal team di tribologia della TU Wien in collaborazione con l'Excellence Centre of Tribology (AC²T) di Wiener Neustadt e l'Imperial College di Londra:Atom by atom, le superfici sono simulate al computer. Più grande è il pezzo di materiale simulato e più lungo è il periodo di tempo simulato, più potenza del computer è necessaria. "Simuliamo sezioni con una lunghezza laterale fino a 85 nanometri, in un periodo di diversi nanosecondi, " dice Stefan Eder. Non sembra molto, ma è notevole:anche il Vienna Scientific Cluster 4, Il più grande supercomputer austriaco, a volte può essere impegnato con tali compiti per mesi alla volta.

Il team ha studiato l'usura delle leghe di rame e nichel e lo ha fatto utilizzando diversi rapporti di miscelazione dei due metalli e diversi carichi meccanici. "Le nostre simulazioni al computer hanno rivelato esattamente la varietà di processi, cambiamenti microstrutturali ed effetti di usura già noti da esperimenti, " dice Stefan Eder. "Possiamo usare le nostre simulazioni per produrre immagini che corrispondono esattamente alle immagini del microscopio elettronico. Però, il nostro metodo ha un vantaggio decisivo:possiamo quindi analizzare il processo in dettaglio sul computer. Sappiamo quale atomo ha cambiato posto in quale momento, e cosa è successo esattamente a quale grano in quale fase del processo."

Capire l'usura—ottimizzazione dei processi industriali

I nuovi metodi riscuotono già un grande interesse da parte dell'industria:"Da anni, c'è stata una discussione in corso sul fatto che la tribologia potrebbe trarre vantaggio da simulazioni al computer affidabili. Ora abbiamo raggiunto una fase in cui la qualità delle simulazioni e la potenza di calcolo disponibile sono così grandi che potremmo usarle per rispondere a domande entusiasmanti che altrimenti non sarebbero accessibili, " dice Carsten Gachot. In futuro, vogliono anche analizzare, comprendere, e migliorare i processi industriali a livello atomico.