Na właściwości warstw granicznych występujących w kontakcie dwóch ciał może mieć duży wpływ tzw. Efekt rozmiarowy, czyli zależność różnych właściwości ciał stałych od liczby zawartych w nich atomów. Proces stopniowego podziału ciała litego prowadzi do uzyskania klastra. Jeżeli będziemy dzielić ciało stałe na coraz mniejsze części, cechy jego zaczną stopniowo zanikać a jednocześnie zostaną zastąpione właściwościami, które nie są właściwe ani dla cieczy ani dla gazów. Uzyskane w ten sposób cząstki zwane klastrami stanowią zupełnie nową fazę materii, przy czym sam punkt transformacji nie jest wyraźnie i w sposób ostry zdefiniowany. Przy przejściu od ciała masywnego do klastrów różne właściwości takie jak np. punkt topnienia, potencjał jonizacyjny czy konfiguracja atomów, zmieniają się stopniowo.
Ze względu na małe rozmiary i dużą reaktywność chemiczną klastry trudno było badać technikami tradycyjnej chemii powierzchniowej. Obecnie klastry otrzymuje się za pomocą laserowego generatora klastrów lub skaningowego mikroskopu tunelowego (STM). Osiągnięciem ostatnich kilku lat jest pojawienie się możliwości wytwarzania klastrów o określonej geometrii na różnych podłożach, za pomocą mikroskopów STM. Przyłożenie określonego potencjału do igły mikroskopu STM pozwala unosić i przesuwać z miejsca na miejsce atomy na powierzchni. Mechanizm tego zjawiska nie jest jeszcze wytłumaczony, jednak ta metoda mikrotechnologii kryje w sobie olbrzymie potencjalne możliwości, wytwarzania struktur o rozmiarach nanometrycznych. Techniki te możemy zaliczyć do pierwszych metod nanolitograficznych.
Wykorzystując specyficzne właściwości materii o dużym stopniu rozdrobnienia rozpoczęto badania i później zastosowano substancje smarowe w postaci nanocząstek. Podczas wytwarzania tego typu materiałów występuje szereg problemów technicznych. Jednym z nich jest aglomeracja nanocząstek czyli tworzenie się struktur o znacznie większych rozmiarach co powoduje utratę pewnych charakterystycznych cech nanocząstek. Aby przeciwdziałać tym procesom modyfikuje się ich powierzchnię. Obecnie prowadzone są prace nad wieloma związkami nieorganicznymi takimi jak MoS2, MoSe2, WS2, Wse2 posiadającymi puste wnętrze i budowę podobną do fullerenów i nanorurek węglowych. Do określenia tego typu nanocząstek używa się skrótu IF np. IF-MoS2.
Nanocząstki IF mogą być użyte w następujący sposób:
jako dodatek do ciekłych środków smarowych (oleje),
jako dodatek do smarów plastycznych,
jako składnik przeciwtarciowy warstw kompozytowych zrówno polimerowych jak i metalicznopolimerowych.
Korzyści wynikające ze stosowania nanocząsteczek IF jako dodatku do substancji smarowych:
zmniejszenie zużycia i obniżenie współczynnika tarcia szczególnie przy wysokich obciążeniach w stosunku do klasycznych stałych środków smarowych, a co za tym idzie obniżenie ilości wydzielanego ciepła w węźle tarcia,
długi okres działania,
dobra wytrzymałość na wysokie obciążenia,
wysoka stabilność mechaniczna i chemiczna,
obniżenie zużycia energii i oszczędności paliwa, a poprzez to przyjazność dla środowiska,
obniżenie kosztów wytwarzania elementów maszyn poprzez zmniejszenie wymagań dotyczących gładkości powierzchni węzłów tarcia.
Zestawienie cech nanocząstek IF istotnych z tribologicznego punktu widzenia:
nanometryczne rozmiary pozwalające wnikać w pory i lokalne zagłębienia i w ten sposób tworzyć naturalne zbiorniki środka smarowego, małe rozmiary przeciwdziałają nadbudowywaniu powierzchni trących co mogłoby pogarszać parametry użytkowe węzła tarcia,
wykorzystanie naturalnej bądź celowo wytworzonej porowatości powierzchni jako zbiornika substancji smarowej a przez to wytwarzanie materiałów samosmarujących się lub wstępnie zabezpieczonych przed warunkami granicznymi panującymi w okresie rozruchu urządzenia,
kulisty kształt nanocząstek IF obniża tarcie poprzez częściowe bądź całkowite zstąpienie tarcia ślizgowego pomiędzy warstwami stałego środka smarowego tarciem tocznym,
kulisty kształt nanocząstek zmniejsza ilość defektów powierzchniowych będący miejscami o podwyższonej energii powierzchniowej w których rozpoczyna się wiele procesów degradacji dodatku np. utlenienie. Podnosi to stabilność chemiczną nanocząstek IF a to w rezultacie przedłuża żywotność samego smaru i smarowego węzła tarcia. Cecha ta sprawia również, że smarowana powierzchnia jest mniej zanieczyszczona np. produktami rozpadu środka smarowego,
warstwowa budowa nanocząstek IF sprawia, że uszkodzenie jednej z warstw nie niszczy cech tribologicznych całej nanocząstki przez co możemy mówić o samoregenerującym się środku smarowych, a to może znacznie przedłużyć jego okres działania i czas między koniecznymi wizytami serwisowymi,
nieorganiczna budowa nanocząstek IF sprawia, że są one wytrzymałe na wysokie temperatury,
właściwości fizykochemiczne a zatem i tribologiczne mogą być modyfikowane poprzez wprowadzanie innych pierwiastków jak i struktur chemicznych do zsyntezowanych nanocząstek.
Klasyczna mikroskopia AFM oparta jest na obserwacji ugięcia miniaturowej beleczki pomiarowej wraz z przymocowanym do niej ostrzem (tip) przesuwanym nad badaną próbką za pomocą odpowiednio zbudowanych piezoelementów. Metoda AFM pozwala na prowadzenie badań i pomiarów struktury geometrycznej powierzchni z atomową rozdzielczością w kierunkach wszystkich trzech osi. Można ją stosować zarówno w badaniach materiałów przewodzących prąd elektryczny, jak i izolatorów, w tym polimerów i tworzyw. Badania można prowadzić w próźni, powietrzu, atmosferze różnych gazów oraz cieczach.
Odmianą mikroskopu AFM jest mikroskop FFM pracujący w modzie kontaktowym z jednoczesnym pomiarem skręcenia beleczki pomiarowej na skutek siły tarcia powstałej podczas ostrza nad próbką w trakcie skanowania.
Mikroskop AFM może pracować w różnych trybach zwanych modami. Mody pracy zależą od wielkości i sposobu przykładania siły do beleczki skanującej, a poprzez nią do igły mającej kontakt z powierzchnią. W modzie kontaktowym przyłożona siła jest na tyle duża, że skanująca powierzchnię igła ma z nią bezpośredni kontakt w sposób ciągły. W trybie niekontaktowym igła odsunięta jest od powierzchni na odległość, w której oddziaływują na nią małe, przyciągające siły van der Waalsa, pomiędzy jej wierzchołkiem a badaną powierzchnią. Trzecim często używanym trybem pracy jest mod oscylacyjny, w którym igła wraz z beleczką wprowadzana jest w oscylacje i igła ma bardzo krótki kontakt z powierzchnią, po czym odsuwa się od powierzchni, przesuwa się w płaszczyźnie skanowania i powtórnie zbliża się do powierzchni oddziaływującą z nią.
Aby opisać zjawiska tarciowe w nanoskali na wstępie zdefiniujemy kilka użytecznych pojęć. Drugie założenie prawa Amontonsa zakłada, że siła tarcia jest zależna od powierzchni styku ciał trących co wskazuje poniższy wzór.
T=Sc*A
Gdzie:
T- siła tarcia,
Sc- wytrzymałość na ścinanie,
powierzchnia styku.
Przy założeniu niskiej energii powierzchniowej i niezbyt dużej sprężystości powierzchnię (układ taki nazywamy „stykiem Hertzowskim”) styku pomiędzy sferycznym ostrzem a próbką możemy określić wzorem:
A=π(RN/K)2/3
Gdzie:
N- obciążenie,
powierzchnia styku,
R- promień ostrza,
K- efektywny moduł sprężystości.
Efektywny modułem sprężystości łączy w sobie własności sprężyste próbki i ostrza, jest o rząd wielkości większy od odpowiednich modułów sprężystości ostrza i próbki.
Zależność pomiędzy siłą nacisku a współczynnikiem tarcia dla „styku Hertzowskiego” wyraża następujący wzór:
T=π*Sc(RN/K)2/3=μR2/3*N2/3
Gdzie:
μ=(π*Sc)/(K2/3)
Typowy zakres sił obciążenia (N) przykładanych podczas pomiarów wykorzystujących mikroskopię sił atomowych wynosi 1 do 100nN co z kolei powoduje, że obszar styku wynosi kilka nm2 . W praktyce oznacza to, że w procesach tarcia bierze udział kilkadziesiąt lub maksymalnie kilkaset atomów. Pozwala to na pomiary w quasi-punktowej skali i przy założeniu pełnej sprężystości próbek- praktycznie w warunkach bezzużyciowych. W praktyce to ostatnie założenie jest bardzo trudne do spełnienia i następuje powolny proces zużywania się ostrza podczas pomiarów z wykorzystaniem mikroskopów AFM. Bazując na powyższych danych możemy oszacować ciśnienie panujące w strefie styku punktowego zgodnie ze wzorem:
P=N/A
Przeliczając, otrzymujemy przy założonym obciążeniu 1- 100nN i obszarze styku tarciowego 10 nm2 wartość ciśnienia w styku:
P=(1-100*10-9 [N])/(10*10-18 [m2])=0,1-10 [GPa]
Jak widać z powyższego wyliczenia w styku tarciowym panują ogromne ciśnienia na poziomie ułamków lub pojedynczych Gpa, co odpowiada lub nawet przewyższa ciśnienia panujące w normalnie pracujących układach makroskopowych przy stykach szczytów nierówności powierzchni trących.
Aktualnie prowadzone badania zjawisk tarciowych na poziomie molekularnym i submolekularnym praktycznie wykorzystywane są w dwóch dziedzinach techniki: przy budowie twardych dysków (HDD) dla zabezpieczenia styku głowicy zapisująco- odczytującej z powierzchnią nośnika magnetycznego i w konstrukcjach elektromikromechanizmów (MEMS).
Jako środek smarowy najczęściej stosuje się perfluorowane polietery o prostej i rozgałęzionej strukturze łańcucha oraz częściowo podstawione atomami fluoru aromatyczne pochodne cyklofosfazenowe w czystej postaci lub jako dodatek do perflurowanych eterów, które dodatkowo pełnią rolę stabilizatorów i zapobiegają degradacji środka smarowego.
Kolejną bardzo ciekawą i dynamicznie rozwijającą się dziedziną w której problemy tarcia nabierają szczególnego znaczenia nanotechnologia. Jednym z najbardziej spektakularnych technologii są mikroelekromechanizmy zwane w skrócie MEMS. Ich wytwarzanie opiera się na szeroko wykorzystywanych w mikroelekronice technikach litograficznych a podstawowym materiałem budulcowym jest krzem amorficzny, bardzo często modyfikowany poprzez nanoszenie cienkich warstw innych materiałów jak np. azotku krzemu.
Aby prawidłowo i bezawaryjnie funkcjonować układy MEMS muszą być smarowane. Ze względu na występowanie sił kapilarnych praktycznie niemożliwe jest zastosowanie ciekłych środków smarowych w klasycznej postaci. Problem ten rozwiązuje się stosując smarowanie gazami- szczególnie w mechanizmach o ruch obrotowym i o bardzo dużej prędkości obrotowej. Drugą drogą jest modyfikacja powierzchni pracujących mikroelementów z wykorzystaniem super cienkich warstw środka smarowego o grubościach rzędu kilku do kilkudziesięciu nanametrów. Intensywnie prowadzone są również prace nad chemicznym wiązaniem środka smarowego ze smarowaną powierzchnią. Prace te są nadal praktycznie dopiero w początkowej fazie i bardzo wiele problemów nadal pozostaje nierozwiązanych.