多尺度建模头磁盘接口的描述关注底层工人润滑剂和碳大衣模型

文摘

设计未来的挑战头磁盘接口(HDI)有效需求理论的建模工具和灵活性在调查的各种组合perfluoropolyether (PFPE)和碳大衣(COC)材料。为广泛的时间和长度尺度,我们开发了多尺度/ multiphysical建模方法,可以把一些先进的人类发展指数的改善设计。在本文中,我们介绍我们的多尺度建模方法与人类发展指数的一个有效的战略框架体系。我们的多尺度方法本文采用从下到上的方法从高分辨率建模开始,它描述了分子内和分子间PFPE-COC自由度管理功能在碳表面低聚物的分子构象。通过引入方法集成原子/分子/中尺度水平通过粗粒度的过程,我们研究了静态和动态的属性PFPE-COC组合与不同的分子结构。通过桥接原子和分子尺度上,我们能够系统地结合第一原理的物理成分子模型,因此基于分子通路设计材料示范建筑。我们还讨论了未来的材料(例如,COC的石墨烯,像星星一样亲)和系统(例如,heat-assisted磁记录(HAMR))规模较高的建模方法,使分子/中尺度信息的整合到连续介质模型。

1。介绍

连续增加面积超过1 Tb /记录密度规范²导致了以往减少媒体负责人间距(HMS)要求在磁盘接口(HDI)。人类发展指数的关键材料成分是碳大衣(COC)和润滑层,保护磁性媒体不受腐蚀和摩擦学的损害。全氟(PFPE)与功能性和非功能性组织是标准的人类发展指数润滑油由于其低蒸汽压、低表面张力以及良好的化学和热稳定性。更可靠的产品,改善润滑剂和COC材料必须有自我修复能力和lubricant-COC粘附除了分子扩散层厚度薄。

挑战参与设计改善人类发展指数的材料需要有效的理论建模工具允许灵活地调查各种双PFPE-COC材料。由于广泛的时间和长度尺度对人类发展指数的组件,可以利用多尺度/基本建模方法来产生一些先进的人类发展指数设计的改善(1- - - - - -13]。我们相信本文中描述的多尺度建模方法是一种有效的策略,这个系统,虽然它远未完成。多尺度建模的本质包括低收入和高分辨率的模型集成系统,相邻尺度之间无缝地传递信息。这可以通过完成一个从上到下,从下到上,或中间向外方法辅以优化如图1。从上到下的方法,建立了低分辨率的描述,从地位描述输入合并到高档的模型传递信息。这种方法的一个优势是,它通常是更实际构建一个模型更接近设备/宏观规模第一,设备性能决定了较低的规模的信息是必要的。然而,它可能更难以从根本上使重大的改变从上到下的材料设计过程与当前建模范式。在逆方法(从下到上),详细,高分辨率描述构造第一,和通过粗粒度的过程,模型的输出和输入的低分辨率的发展描述。这种多尺度集成风格尤其有用通过纳米级材料科学与工程影响设备性能,由于分子结构材料特性的根源。独特的中间向外方法采用一个中间尺度模型和输出信息在上下相邻尺度模型的主要模型允许灵活的集成策略。

人类发展指数系统,构建多尺度描述涉及建立一个综合模型对润滑剂和大衣材料。在本文中,我们采用从下到上的方式来概述我们的方法,虽然从上到下或中间向外与优化方法也适用于人类发展指数的设计。PFPE由于高分子结构的系统,我们开始在高分辨率,完全单纯的建设规模模型描述了分子内PFPE自由度管理链构象。我们之间的过渡到亲之间的分子间的相互作用以及PFPE-COC组合预测润滑剂自愈(流动性)和粘合剂的行为。然后我们讨论的方法将原子论的模型与分子/中尺度模式通过粗粒度的过程。粗粒度的描述让我们接近人类发展指数的时间和长度尺度最相关的操作。通过桥接两个尺度,我们能够系统地结合第一原理的物理成分子模型,因此基于分子通路设计材料示范建筑。这种方法允许我们描述构象,动力学,人类发展指数的形态、流变性和热性能的材料。

我们开始本文概述的分子内和分子间的研究PFPE和COC材料完全从头开始方法一直在利用原子论的规模。原子论的评论是紧随其后的是作品的调查调查人类发展指数在分子/中尺度通过分子动力学模拟。这是紧随其后的概述小说集成方法和感知的影响的讨论多尺度建模在先进的人类发展指数设计面临的挑战。

2。原子论的模型

原子论的模型包括身体最详细描述所需的连接材料性能与分子结构。调查在原子论的规模包括分子内和分子间PFPE交互以及PFPE-COC交互。分子内的研究是出于需要描述项目的构象行为。在这里的研究综述,Z-dol和Z-tetraol作为这种方法的例子,虽然类似的治疗可以应用于其他润滑剂。这是紧随其后的是PFPE-PFPE相互作用能的研究中,由于分子间相互作用的强度影响分子的动态行为,因此,流动性和自愈能力PFPE头磁盘时接触或润滑剂拾音器的头。确定PFPE-COC组合促进附着力强、交互能源研究各种pfp COCs。

2.1。分子内PFPE势能

分子内的研究(14)提供债券拉伸、弯曲和扭转PFPE分子势能参数用于原子论的MD模拟。在本文中,我们首先详细的功能性PFPE从头开始治疗(Z-dol和Z-tetraol作为基准例子)分子内力场作为大规模的基础模型的基础物理的微观与宏观的规模。选择这里Z-dol Z-tetraol PFPE分析由于其患病率的研究;然而,这种方法将会扩展到其他润滑剂与各种功能和分子结构。为了研究低聚物与计算密集型从头开始的方法,模型Z-dol(霍克₂CF₂OCF₂CF₃)和Z-tetraol(霍克₂HOCHCH₂哟₂CF₂OCF₂CF₃)利用分子保持末端结构。

放松结构通过几何优化计算,其次是分子内力场参数的使用方法Seminario [15]。我们开发了一个代码,使用LAPACK [16从头开始)例程特征值分析二阶导数张量(黑森)和谐波势计算拉伸和弯曲参数: 在哪里和拉伸和弯曲势,分别拉伸力常数,弯曲力常数,是平衡键长,是平衡的角度。拉伸两个成键原子之间的相互作用发生,而弯曲的弯曲角度由两个相邻的债券。扭转势参数,描述四个成键原子,被生成扭转计算通过一系列约束的几何优化能源配置文件。扭转可能的形式 在哪里是扭转的潜力,扭转潜力系数,是截断点,扭转角。选择这些势能形式由于其广泛使用在流行MD代码。

选择平衡债券长度和角度和相应的Hessian-derived力常数是显示在表中1Z-dol。这项研究揭示了刚度等短极性键H-O以及债券拉伸的更高频率模式相比,弯曲模式。一般来说,债券和角力常数计算低于给定的力场中如琥珀一般的力场(17]。这些差异是由于计算中使用的不同的方法。如表所示2Z-dol,扭转参数计算四扭转角度,描述扭曲沿链:F-C-C-F, F-C-C-H H-O-C-C, H-C-C-O。可能是参数化的预测的能量势垒以及行为概要文件接近平衡。F-C-C-F和F-C-C-H角度旋转的最高能量障碍~ 20焦每摩尔表示相对于H-O-C-C扭曲和H-C-C-O(~ 15 ~ 17焦每摩尔,职责)。类似的能源可以预期Z-tetraol扭转行为。

这里描述的类型的分子内分析是准确模拟所必需的一个原子论的系统的多自由度亲。它提供了依据原子论的分子动力学用于验证更高的模型将在后面一节中描述的集成。

2.2。分子间PFPE交互

虽然功能PFPE端基的设计有很强的COC表面粘附在磁盘旋转,润滑剂补给的动态属性,或自愈能力必须加以解决,以确保一致的表面覆盖在间歇接触头磁盘和润滑剂拾音器的头。优良的润滑剂补给需要快速分子流动性影响的分子间相互作用的强度。从本质上讲,润滑剂与最强的分子间相互作用可能更缓慢的自愈性能。在确定最好的润滑剂,以满足人类发展指数性能标准,我们引入的概念PFPE nanoblends材料性能的优化。这允许灵活地设计润滑剂可以坚持COC同时拥有优越的自愈性能。因此,我们评估之间的相互作用相同类型的润滑剂(纯)和润滑剂间的不同形式(混合)。不同形式的混合项目可能是一个新概念设计的最佳润滑剂。我们的工作在原子论的分子间的相互作用可以在找到18]。一些先前的研究分子和中尺度模拟技术用于模型润滑剂电影在人类发展指数(19- - - - - -23]。然而,在这个工作我们评估了分子间相互作用的函数使用从头开始末端结构理论推断关于润滑剂补给的性能。结束组截断成模型结构,在前面的小节中,保留特征的功能。模型结构用于分析的总结如图2。这里,Z-dol Z-tetraol, dipropylamine(行动)作为计算基准PFPE结构允许我们比较羟化和nonhydroxylated功能形式。二聚体由两个PFPE结构是放松,并执行频率分析分类驻点作为最小势能表面。的相互作用能代表的势能的配置计算 在哪里二聚体的能量和吗和是孤立的单体的能量和,分别。在模拟每一个案例中,一个固定的位置润滑剂作为起点,和一个几何松弛进行获取能源的平衡结构和频率分析,确保结果是鞍点和过渡态,而是最小势能表面。

有限的基础上设置用于计算导致每个单体与其他单体的二聚体共享基函数计算,这被称为基础设置迷信错误(的影响)。因此,相互作用能被高估(3)。因此,减少的影响与我们的计算技术,平衡修正(CP) [24是用于(3): 在哪里是单体的能量二聚体几何和是单体的能量二聚体的几何与单体的添加基函数为单体,用一个类似的待遇。

数据3和4给PFPE二聚体的轻松配置。最短的羟化之间的分子间键结束组之间的氢和氧哦组。这表明单体间的相互作用是影响氢键吸引带正电的氢的电负性的氧气。行动,最短的分子间键发生丙基氢和氟化组之间的指向氢和氟原子的电负性之间的吸引力。

表3显示了平衡修正能量相互作用的二聚体。纯复合物对应图3,Z-dol Z-tetraol−34.4焦每摩尔的最强的交互和−59.0焦每摩尔,分别,负值表示一个稳定的互动。更弱的相互作用是行动观察二聚物的价值3.97焦每摩尔。最短的分子间化学键的羟化端基Z-dol和Z-tetraol发生氢和氧之间的哦。行动,最短的分子间键之间发生的氢丙组。行动相比,羟化结束团体之间的氢键给了他们一个更大的能力形成强力束缚的二聚体复合物。这表明羟化亲会缓慢移动行动形式相比,由于强烈的分子间的相互作用。然而,凝相分子模拟必须建立一个更具体的执行末端相互作用和分子扩散的力量之间的联系,特别是在有限温度的存在。

在图的混合结构4,最接近Z-dol-Z-tetraol二聚体分子间键是氢和氧之间的羟基类似于纯Z-dol Z-tetraol病例。这种相似性之间的取向纯和混合病例表明,仍然是由氢键的相互作用机制,当羟化润滑油混合。Z-dol-DDPA复杂的图4 (b)显示最近的氟原子之间的相互作用发生在每个单体。二聚体的方向代表结束的情况下,部分组最接近骨干进行交互。另外,如图4 (c),Z-tetraol-DDPA二聚体氢之间的密切接触的第一个哦组和行动氟。这种类型的取向将产生一个更稳定的互动比Z-dol-DDPA取向。

下表3,与图的配置一致4(一)最强,Z-dol-Z-tetraol二聚体交互−35.6焦每摩尔。这也是类似的强度交互Z-dol和Z-tetraol纯二聚体提供进一步的支持,氢键是关键在纯和混合情况下绑定机制。因此,没有重大变化的交互时从纯粹的情况下的混合情况下羟化结束团体。方向图4 (b)表明,Z-dol的交互和行动是不稳定的值为5.23焦每摩尔。相比之下,图的二聚体4 (c)有一个稳定的互动−6.53焦每摩尔最有可能由于氟原子和氢之间的交互。因此,我们得到弱排斥和更强烈吸引力的二聚体配置羟化组织与行动结束。为了翻译末端功能润滑剂的强度自愈性能,我们正在开发分子间分子动力学模拟,温度效应力场参数可以被评估。

我们已经检查了各种模型PFPE润滑剂分子间相互作用增强分子内相互作用的早期研究。纯润滑剂的复合体,我们发现优质润滑剂结束团体之间的分子间相互作用与氢键的能力。然而,纯行动复杂显示长分子间键的长度以及轻微排斥相互作用。二进制润滑剂混合了混合羟化之间的强相互作用的润滑剂和体力的交互当添加行动羟化润滑油。因此,我们已经确定了优化润滑剂交互通过引入各种功能末端的混合类型。这个结果表明,自愈性能可能定制通过选择最佳的混合比例,可以使用优化配方研究。我们的能力在决定力常数控制分子间和分子内的自由度让我们从头开始原子论的描述和分子之间的联系/中尺度many-molecule通过粗粒度的过程模型。

2.3。PFPE-COC交互

虽然PFPE官能团之间的相互作用强度是一个组件控制润滑行为,PFPE-COC交互也是关键,因为润滑油需要强有力的COC附着防止剥离和抵制拾音器。PFPE-COC交互的细节分析可以发现在25]。模拟PFPE粘附在传统COC材料,我们构造一个模型数据链路控制结构包括sp³——(类金刚石)和sp²碳(石墨)类型如图5。图5给Z-dol——放松的几何图形,Z-tetraol和DDPA-DLC二聚体。sp的配置显示更强的吸引力²结合碳相比,sp³的形式。总结了交互能量表4。三个亲都有大的吸引作用与DLC−126.02焦每摩尔的最高价值是DLC-Z-tetraol观察二聚体。之间的亲密接触Z-dol和Z-tetraol PFPE和石墨碳,而对于行动,氟原子和DLC氢。基于能量的相互作用,它是预测Z-tetraol将更加遵守对DLC可能更少的分拆。除了化学成分的DLC,维特征也可能有助于增强附着力自结构PFPE遇到不顺利。可能期望一个光滑结构在DLC的情况下比在纯石墨烯或钻石由于流程制造业中使用sp²/ sp³混合动力车。

虽然PFPE-DLC风头表明PFPE更强烈地吸引了石墨的碳,我们系统地研究碳结构对PFPE附着力的影响独立计算与钻石和石墨碳的交互。模拟PFPE与纯钻石没有周期性边界,我们选择一个简化的sp的结构³保税碳与氢终止所有晃来晃去的债券。图6给出了放松PFPE几何图形与纯粹的钻石。表4显示所有三个PFPE-diamond二聚体的相互作用是有吸引力。与PFPE-DLC二聚体,Z-tetraol−63.8焦每摩尔的最高相互作用能有相似的价值观为Z-dol和−−38.0焦每摩尔39.9焦每摩尔的行动。对于钻石的情况,Z-dol和Z-tetraol羟基有亲密接触钻石氢。行动,有亲密接触钻石氢氟原子。所有三个项目表现出较弱的相互作用与纯钻石比DLC结构。这支持DLC放松结构的观测,亲民党的互动更强烈的石墨结构就是明证头寸。

我们利用一个石墨烯片为了代表纯粹的石墨碳。图7显示了放松的几何图形的亲民党的石墨烯薄片,和能量的交互与石墨烯项目表4在Z-tetraol略强的相互作用。3例,PFPE-diamond能量更大比的交互情况。这再次表明,PFPE末端结构更强烈吸引石墨碳。与石墨烯碳羟基相互作用在Z-dol的情况下,给出了最亲密的接触和Z-tetraol氢与石墨烯有亲密接触。行动的最亲密的接触石墨烯丙基氢的复杂。石墨碳的高电子密度的sp²PFPE债券允许电荷的转移,这最有可能导致更强的债券比PFPE-diamond复杂什么是可能的。最接近原子间接触PFPE氢与石墨烯之间的碳原子在图7支持的存在氢和sp之间的电荷转移²结合碳。这些结果提供的证据表明,更高的sp²COCs碳分数可能产生更强的PFPE粘连。因此,这种分析表明分子架构提供指导的力量实现所需的材料性能如附着力。确切的sp²/ sp³比率最大化粘附可以更精确地确定通过优化程序。

由于石墨烯有潜力成为一些大衣由于厚度的储蓄,我们详细研究了PFPE-graphene交互。对于石墨烯大衣(作为),几层可能需要充分保护媒体。石墨烯层数的影响它的属性是一个话题,一直在以前研究文献[26,27]。这些研究的有趣的现象是一个二维的维交叉结构三维。在我们的环境中,维交叉评价标准有PFPE交互作为厚度的影响。因此,我们评估单的影响与我们的模型和双层石墨烯在交互pfp: Z-dol, Z-tetraol和行动。每个PFPE-GOC二聚体的相互作用能量在这些测试用例是检查。

自自动薄的石墨烯结构从未用作磁盘大衣毗邻PFPE润滑剂,我们研究了,第一次,石墨烯PFPE和之间的交互模型。的相互作用能结果表5表明,所有的组有稳定石墨烯相互作用模型。然而,行动的相互作用能作为Z-dol相比仍低得多和Z-tetraol符合之间的分子间分离结构如图8。评估的影响有两层石墨烯表面润滑附着力,添加了一个额外的层lubricant-GOC二聚体,如图9。添加额外的层是在实验3.35 graphene-layer分离和相互作用能的润滑剂在这个几何计算。表5表明,润滑剂附着力提高与第二层的引入,特别是Z-tetraol和行动形式。单层的作为,Z-dol Z-tetraol羟基有亲密的接触,而行动氢是最接近DDPA-single作为层二聚体。也观察到类似的密切接触者的双层作为案例。因此,除了额外的保护磁性媒体提供的一个额外的石墨烯层,我们的计算表明,可以实现更理想的润滑剂粘连。

调查我们的原子论的规模,我们展示了一个定性趋势末端结构对吸附在石墨烯的影响。我们的可行性研究表明,石墨烯可以取代现有的COC当使用传统润滑剂Z-dol和Z-tetraol由于重要的粘附特性,和他们可能优于替代润滑剂行动等材料。然而,Z-tetraol和行动表现出更强的附着力的第二层。我们进一步介绍了小说的概念固态缓冲层PFPE和石墨烯之间添加额外的润滑和保护作为。我们的研究将最终导致PFPE-PFPE严格调查和PFPE-COC交互,可以调到润滑油技术开发原子论的设计标准。大尺寸石墨烯与重大缺陷包括晶界及其与亲民党的互动目前正在调查中。

3所示。原子和分子尺度的集成

虽然我们规模原子论的研究提供了有价值的信息关于分子结构对材料性能的基本作用的低聚物的结构PFPE高效的分子/中尺度计算提出了一个挑战的极大量的原子分子模拟的自由度。因此,一个方法来减少原子论的模型的自由度寡聚PFPE从计算角度是至关重要的。扩展超出了原子论的规模是必要的评价润滑剂/ COC行为的方式更紧密地与现实的人类发展指数的材料。多尺度方法的力量是基地规模越高的能力描述在最低级别的信息描述。

从历史上看,订单减少建模(ROM) (28)已经被用来描述连续/设备模型使用较少的自由度,如图10。在本文中,我们描述罗方法技术可以应用在弥合PFPE原子/分子模型。在ROM中,完整的模型(FM)是解决各种输入生成快照模型的输出生成一个预定义的域。快照集的维数就减少了更少的基函数和投影技术扩大产量的减少导致减少基础模型(RM)。

这里介绍的原子论的FM的定义是通过分子内哈密顿后,: 在这里,,,债券的系数、弯曲和扭转潜力。的参数,,,瞬时和平衡债券长度和角度,分别。代表了勒让德多项式。这些参数对FM模拟生成通过黑森特征值分析的方法如前所述2.2。生成的快照通过FM分子动力学(MD)模拟收益率原子轨道,,对应于一个原子的坐标,随着时间的推移,。减少模型的维度,在快照数据的基础上,我们把一个映射算子地图集群的原子到单一RM网站。我们的调频RM网站有一个物理连接。偏执狂et al。29日)表明,质心映射算子 足以让一个原子论的和粗粒度(分子)模型之间的一致性在相空间。在这里,我们地图到,新维度。因此,在减少,我们只有纳米RM站点的轨迹。从这一分析,为简单起见,我们生成一个新的RM分子内伸展哈密顿,: 早些时候在我们的分析中,MD粗低聚物模型已经完成使用bead-spring模型只有债券充分伸展约束可以捕获在这个规模较大的分子链构象行为。的系数计算了玻耳兹曼分布拟合 用于描述在正则系综统计,概率分布的数据集来自映射在减少空间。在这里,玻耳兹曼常量,是绝对温度,是归一化常数。我们应用罗方法润滑剂PFPE Z-dol,我们减少42原子7 RM网站。表6显示所选债券和调频分子内哈密顿角参数。罗过程后,如图10,我们获得6 RM力常数对应于(7),选中的值在表6。FM的拉伸参数相比,RM参数明显较小的值指示更灵活的债券之间的RM网站。由于调频的弯曲参数始终小于拉伸参数,它是合理的描述RM以来使用bead-spring方法RM弯曲约束相对而言不太重要。总之,我们应用传统连续体/设备水平罗方法连接原子/分子模型可以跨整个规模集成,如图10设计规模,产生一个完整的人类发展指数。

在下一节中,我们将我们的注意力到粗粒度的描述项目建立在RM汉密尔顿等在这一节中描述。基于低分辨率分子比例模型(bead-spring链),我们调查项目的静态和动态特性通过平衡和非平衡。在这个更高规模的方法,功能是依赖于珠类型而不是详细的原子论的体系结构。此外,nanorheology和nanomechanics探索确定润滑剂混合组成的影响,在分子链结构/中尺度行为在人类发展指数应用程序是至关重要的。我们也扩大我们的原子论的计算各种PFPE / COC组合属性,就像在部分完成2.3分子尺度上,利用原子的尺度相互作用的结果。

4所示。分子模拟

4.1。粗粒度模型

PFPE分子特征通过一个粗粒度的MD (CGMD),简化了详细的原子论的结构分类组织的原子均匀珠大小为骨干和末端基于低聚物的尺寸。这种方法,然而,保留了分子结构的本质和链的灵活性。实现原子级理论在MD模型中,我们应用一个粗粒度的过程连接原子论的潜力和分子/中尺度模拟结合量子力学计算得到的参数,如图11。

一个平面,表面光滑COC的假设模型。粗粒度bead-spring PFPE由有限数量的珠子与不同的物理或化学性质。为简单起见,我们假设所有的珠子,其中包括珠子,有相同的半径。力场在这个模型中由Lennard-Jones (LJ1)和范德瓦耳斯(LJ2)色散珠粒潜力和bead-wall交互,分别(图12)。极性相互作用,潜力指数函数(EXP1和2)被添加到珠粒和bead-wall病例。之间的粘结潜在相邻的珠链,一个有限可扩展的非线性弹性模型(FENE)使用。例如,PFPE Z-dol可以被分配的特点不同于PFPE Z结束珠发出的极性羟基链中结束。

邻近的珠子连接通过FENE春天见以下方程: 在哪里键长,是平衡键长,是弹簧的最大可扩展范围,是量化的弹簧常数刚度的债券。

所有珠子,包括最终的珠子PFPE Z-dol,两两相互作用,分散,截断Lennard-Jones (LJ)潜在见以下方程: 在哪里是珠子之间的距离,代表的井深互动,珠子直径。

色散珠- (db)墙互动,我们使用了有吸引力的潜力,: 在这里,距离从墙上吗是潜在的深度。

先前的研究已经表明,结束团体之间的耦合及其绑定到固体表面更像是一个氢键相互作用[30.从一个从头开始计算[]31日]。而其他研究认为氢转移的可能性(32和酯化由于退火33]。在功能性PFPE模型中,假设极性相互作用发生在很短的范围和被建模为一个指数衰减函数。方程(12)描述结束珠子之间的势函数: 在哪里代表结束珠子(表之间的相互作用强度7),之间的临界距离是一条珠子,被定义为一个endbead的直径,然后呢指数函数的衰减长度,必须小到符合标准的短程相互作用。

此外,结束珠子与实心墙 在哪里的临界距离交互。注意,越大(表4),较强的相互作用。

通过改变分子结构和输入ab initio-based在这个仿真,atomistically架构亲民党的建模。单层和多层电影进行了模拟盒内尺寸和的方向NVT系综,珠的直径。系统平衡后,模拟进行了40 000τ0.005的时间步τ,在那里是,珠的质量。周期性边界条件的应用和的方向。

4.2。分子动力学

的运动方程可以表示在接下来的朗之万方程形式(34- - - - - -36]: 在这里,跨越和跨越,在那里和意味着PFPE分子和单体的数量,分别珠子的质量,是系统的势能表示为一些势能给定的(9)- (13)。

是摩擦张量。我们假设它是各向同性;也就是说,(是单位张量)。是假定为高斯白噪声,根据产生涨落耗散定理(35,37] 尖括号表示一个统计平均值,也就是随着时间平均的遍历性假设。和克罗内克符号和狄拉克δ函数。

4.3。静态和动态性能

我们检查了分子的构象限制电影通过各向异性回转半径((并行))和垂直()组件: 在哪里,,是链式的质心的位置。各向异性回转半径作为距离的函数(图13)表明,链构象变得越来越扁墙距离减少。

电影中的链延长比在垂直方向平行的方向,导致一个分层结构。然而,endbead交互并不显著影响的构象和,在那里震荡的连锁店。

的区别绘制在图14显示,附近的最大化和和最小化和(代表的意思是垂直回转半径)。这种构象的波动是由于耦合和定位功能的珠子。

图15显示了密度轮廓作为墙的距离的函数。聚合物链()与功能结束珠(和)表现出明显的峰值,而非功能终端珠()是单调的。最后珠被认为夫妇在峰值附近。因为最终的珠子在第一层附着在墙上由于有吸引力的功能交互,珠子是诱导取向的第二层,同样的,后续层的方向传播。结束的链位于珠的密度峰值,功能性珠子也留在峰值与另一端两珠导致奉承构象。链分布的峰值展开自己这样结束珠子的可以到达另一端。分子构象的振荡特征(图14)和密度剖面(图15)是由功能珠子。

建立定性取向和层结构之间的关系,我们研究了层数,endbead密度是绘制在图16为。珠密度轮廓有三个高峰:在墙上,第二层和第三层之间,在第四和第五层之间。功能结束珠子的吸附导致另一种排序在随后的层,也就是说,在第二层,第三,等等。我们的结果提供了一个直接的诠释实验表面能量数据与功能结束团体PFPE电影(30.]。表面能表现出一种振荡模式的非色散分量随着膜厚度,并证明是大约末端密度成正比,在我们之前的研究(30.,38]。我们的仿真结果也表明,最后组织的密度变化的特征行为有关的表面能量PFPE电影。

此外,功能末端密度变化可以定性解释PFPE电影的传播概况。表面扩散系数从实验获得传播形象很大程度上取决于层通过末端位置定位(39]。,第二层和第三层之间的扩散系数是小于第一和第二层之间由于endbead耦合,这是符合马的观察et al。40),也提供了一个异常峰的定性解释thickness-dependent扩散系数。

随着温度的增加,层膨胀和定位珠涂片检查结束。这是显示在图17。层厚度的观测到的扩张主要是由于分子间的相互作用对温度的依赖关系和排除体积效应不是因为债券伸展。依赖于温度,与薄的退火过程聚合物润滑剂电影,仔细检查了夏朝et al。41]。

稳态纳米性能检查,结果同意定性仿真结果获得通过简单的反应球(SRS)模型进行了讨论。我们的研究结果提供了一个直接的诠释PFPE电影实验表面能量数据与功能结束团体(30.,38,42,43]。稳定的电影没有经验去湿或膜破裂。然而,粗糙表面形态为小分子量(图观察18 (b)(图)和强endbead功能18 (c))。表面形态的可视化可以提供强大的工具来描述空气轴承的稳定性。

另一个值得注意的观察是隔离或本地化,chain-ends的膜表面,被发现在非功能性和功能性chain-ends。endbead密度从MD模拟是规范化获得关于珠子的总数和绘制在图19作为endbead的函数功能。非功能的隔离chain-ends表面()确保驱动力是完全的。链可以避免熵的减少通过非功能性结束在膜表面局部配置数量的减少是由于链折叠。温和的功能最终珠()仍然定位在膜表面,这表明熵的贡献更占主导地位,而且,因此,系统的自由能最小化,最终珠子本地化。功能最强的珠子,另一方面,从表面是完全耗尽()。表面焓的自由能的贡献太大了,由熵的补偿组件。因此,在这种情况下,所有的功能最终珠子的能量最小化他们的功能交互耦合与其他珠子在电影结束。以同样的方式,小分子量部分接口的隔离观察从二进制MD模拟。

动态属性,我们将研究自扩散过程的标记分子质心PFPE仿真实现洞察平移运动的激发,也就是说,传播和补给。平方位移的质量中心的分子或珠子被用作衡量平移运动。自扩散系数,,可以表示成一个速度自相关函数: 在哪里表示速度矢量的质心PFPE分子。图20.说明了结果和(扩散系数的分量方向平行和垂直于固体表面)从我们获得初步的MD模拟。

我们也可以研究分子的弛豫过程,研究了正常模式的自相关函数为线性高分子链(44]。分析的弛豫谱可以Kohlrausch-Williams-Watts函数(45]:

在这里,代表了基本弛豫时间和拉伸参数是描述非指数的衰变过程(或弛豫时间分布),或者它身体上量化约束效应;也就是说,越大监禁变得越强。图21证明了固体表面弛豫过程的贡献end-functional亲民党的()通过比较大()与nanofilm ()。一个更长的是观察到的nanofilm PFPE体积比,但兆瓦的依赖,也就是说,,是削弱。例如,大部分的劳斯模型预测(46),但它会降低nanofilm。此外,为nanofilm略有增加(约0.15)MW从图中的实线22。注意,末端比,高等兆瓦,减少和功能结束团体与固体表面相互作用强烈。因此,在PFPE链末端的比例越高,越强PFPE-solid表面相互作用的结果。而lower-MW亲民党的、有效的互动与表面减少高等兆瓦项目。

4.4。各种项目和COCs

对未来人类发展指数的设计,这就增加了稳定性,同时减少头部的配置规模来获取更高的灵敏度和磁层交互,我们介绍了各种COC材料包括石墨烯。由于石墨烯的优点包括单原子厚度的石墨烯和优越的机械和热特性,人类发展指数与石墨烯将提供显著减少HMS和高可靠性,如果我们优化润滑结构(图23)。各种亲属性选择COCs也调查和比较。如图24,所有项目(Z-dol、Z-tetraol和行动)显示一个平面构象()三种不同碳表面。通过比较中列出的末端功能表4和7,图25说明结束团体之间相互作用的强度和表面仅影响垂直分子构象只要珠子的总数(即。分子量)保持不变。特别是,类似所有情况下的值,主要确定膜厚度在单层润滑系统中,表明分子内链的灵活性等因素,分子量、分子结构的复杂性可能会影响膜厚度和构象分子间多等因素末端功能或COC材料。

尽管分子构象是相同的,我们观察到表面的末端集群因项目不同而异。图26显示Z-dol的底视图、Z-tetraol和行动,最终组织位于表面。Z-dol和Z-tetraol(数字(26日)和26日(b))表现出集群和网络结构,最后组Z-dol形式比较小的集群,而行动润滑膜,具有最低的末端相互作用能(-3.98焦每摩尔)结束组之间(表7),不显示任何集群。除了亲在钻石表面图26,我们还发现,亲民党的其他表面石墨烯表面(即包括小说。,数据链路控制和graphene) form similar end-group distributions as those on the diamond surface.

从这个结果,我们观察到在PFPE电影形成的集群依靠结束团体之间的交互(Z-tetraol > Z-dol≫行动)在碳表面之间的交互和结束团体仅仅影响集群的大小。

数据27和28比较每个组件的自扩散系数对于Z-dol, Z-tetraol,钻石和行动,DLC,石墨烯。之间的比较和值,则说明占主导地位的扩散过程,因为垂直扩散限制的单层厚度PFPE电影。的亲民党的排名在相反的顺序而结束团体之间的相互作用强度(Z-tetraol < Z-dol <行动)。同时,自扩散碳表面结构的影响。所有碳表面Z-dol展品类似的流动性,而Z-tetraol显示最小敏感碳表面流动。行动,组成的一种不同类型的末端从Z-dol Z-tetraol(羟基端组),显示明显高于自扩散系数COC的钻石和石墨烯结构。当认为亲民党的分子构象,这一结果表明Z-tetraol COC的可能不是最好的选择超出了传统材料,自自愈能力存在明显的劣势。然而,我们看到行动的流动,这是类似于Z-dol传统DLC大衣,显著增加石墨烯以及钻石。

在这里,我们发现单层膜构象的变化受到的垂直剖面PFPE表面分子结构是不敏感的结束团体或碳表面。然而,我们观察到表面的末端分布取决于end-group-end-group交互。亲也,不同的化学类型的组织不同亲对碳表面的流动特征。除了各种线性泛函率领的研究到目前为止,我们调查了不同类型的项目,它是atomistically /分子结构功能润滑剂分子在现有和小说COC层(图29日)。自多尺度方法提供了规模集成的优势,复杂组合问题PFPFs COCs和众多的参数估计,未来人类发展指数和最优润滑设计标准将被考虑到性能参数选择从底部的规模。

星形的分子(TA-30和QA-40),防止润滑油在高温下分解通过消除酸不稳定(ocf单位₂O -),通过粗粒度模型(图也被调查30.)。据报道,一个额外的官能团在影片ZTMD影响构象通过锚定骨干(47,48),吸附在表面,这样结构的结果在一个较小的膜厚度比线性亲。龙等人相比支亲民党的(例如,TA-30和D-4OH)与Z-tetraol通过使用原子力显微镜(AFM)和分子动力学,他们发现TA-30显示之间的表面覆盖率最高和最低分子高度检查项目(49]。分支与亲民党的同时形成脊椎功能结束团体像星星一样,表面上固定;然而,TA-30 QA-40可能出现不同的电影构象ZTMD骨干由于灵活的分支。要理解这一点,我们具体分析了锚固结构的影响武器TA-30和QA-40膜厚度。如图31日亲民党的形式,像星星一样类似的末端锚定结构而QA-40展品更严重的网络结构由于额外功能的手臂,这可能提供电影的稳定性以及减少流动性(底部视图)。自从QA-40形成更大的集群内部和底部的电影,更少的功能最终组织表面的电影代表电影表面能的降低,提高接近HMS系统的稳定。手臂和末端相互作用结果的灵活性在平面分子构象以及厚膜,如图32。

4.5。Nanorheology和力学

除了固有PFPE / COC属性,我们进一步探索人类发展指数操作的非平衡动力学和PFPE / COC的反应。采用粗粒度模型前面描述的非平衡医学博士,我们已经检查了nanorheological和纳米机械响应的非功能性pfp壁分离的函数/膜厚度和molecule-solid表面相互作用。我们还研究了末端功能的影响,并进一步比较了纳米厚的弛豫时间限制PFPE电影PFPE散装。

4.5.1。Nanorheology

有极大的兴趣在解决PFPE润滑剂的流变和摩擦学问题在间歇接触头和磁盘。我们首先检查约束的效果。图33情节非功能性PFPE shear-rate-dependent粘度()薄膜和三个不同的壁分离长度(),和endbead功能。作为,剪切粘度比大部分价值。然而,随着墙分离变小,例如,甚至只包含1 - 2层的亲,这部电影剪切粘度显著增加,表明一个更强有力的外部约束检查的电影。因此,约束非线性取决于壁分离。

我们发现表面封闭起着至关重要的作用在确定的剪切粘度PFPE参量。非功能性PFPE薄膜在两个分离的固体表面之间在不同表面相互作用的优点是模拟。剪切粘度剪切率的计算作为末端的函数功能如图34,第二个多项式次数的依赖。注意,这种依赖可能随壁分离和剪切率。

使用传统的流变仪,河野et al。50)的流变特性实验研究了PFPE大部分系统的剪切速率范围10⁻⁶~ 10³证券交易委员会⁻¹。大部分流变学检查PFPE系统变形的动态响应(例如,剪切或伸长),而PFPE nanorheology,首次提供了额外的信息PFPE放松(或剪切粘度)由于纳米监禁以及表面和在分子之间的相互作用。由于在分配外部条件,即剪切/法向应力模拟,分子动力学(MD)是另一种方法来理解上述问题。在这里,通过修改我们的以前的仿真模型22),将两个密闭墙,我们研究了流变响应PFPE nanofilm作为辅助工具来估算纳米润滑油的摩擦学性能。

我们已经检查了粘度依赖endgroup功能。图35情节的shear-rate-dependent粘度非功能性()和功能()PFPE电影在两个分离的固体表面之间。在这里,“剪切稀化”行为是观察到随着剪切速率的增加。此外,相比,大部分的剪切粘度PFPE系统(O (~ 10¹))(51),固体表面大大限制动态行为的非功能性PFPE电影(方形符号),导致大量增加(O (~ 10⁴)在剪切粘度低剪切率的地区。另一方面,在功能性PFPE显示增加稳定的剪切粘度比大部分国家(O (~ 10³))(51]。类似的增加(O (~ 10²)稳定的剪切粘度的功能PFPE电影也观察到(圆圈符号)。因此,我们发现,尽管功能末端耦合可以减缓PFPE动力学、表面约束发挥了主导作用PFPE流变特性的参量。

4.5.2。Nano-Mechanics

硬盘操作期间,滑块之间的间歇接触和润滑表面不可避免地导致润滑剂拾音器,润滑剂分子可以部分地转移到空气轴承表面由于水平剪应力以及空气垂直头磁盘交互,最终影响人类发展指数中的摩擦学性能的集成,即润滑剂损耗和垂直位移。因此,nanomechanics PFPE的电影,如“压缩”和“张力”沿着正常的协调,在人类发展指数集成技术的意义。此外,nanomechanics PPFE电影让我们去探索一些有趣的nano-lubrication基本面,也就是说,膜表面张力、楔裂压力,附着力和分离,一直试图通过两个实验(52)和理论(53)工具。在这里,使用分子动力学(MD)模拟54),我们检查的nanomechanics PFPE电影,包括“压缩”和“张力”,润滑剂末端功能是发现一个关键决定因素在人类发展指数接触。基于计算正常压力剖面,我们进一步研究了PFPE参量通过的流变性质模式麦克斯韦模型。

在我们的“思想nanomechanics实验,”150功能PFPE分子()的链长20珠子每个分子被随机“涂层”两固体表面水平维度的面对对方和一个垂直分离25σ。模拟nanomechanics快照捕获图36。MD模拟首次执行放松PFPE电影到平衡态(图36(一)),功能结束在红色的珠子是固体表面附近的局部或集群。“压缩”模式是由顶部表面向下运动速度常数为0.002σ/τ。当分离不到LJ互动范围,界面分子开始相互作用(图36(b))和最终合并成单一nanoconfined电影(图36(c))。“张力”过程中,顶面与相同的恒速收回,流体被发现(图之间的桥梁36(d)),变得越来越薄的壁分离增加(图36(e)),最终分为两个单独的电影。类似nanomechanics模拟也进行非功能性PFPE nanofilm如图37显示,相比显著差异功能PFPE nanofilm在“紧张”的过程。用相同的时间间隔数据输出,没有明显的液桥是观察非功能性薄膜。同时,墙上分离液桥“打破”点的非功能性PFPE电影(~ 24σ)要小得多比功能PFPE电影(~ 33σ)。

相应的正常压力,(是坐标垂直于磁盘表面),“压缩”和“张力”过程中进一步计算非功能和功能PFPE电影。这是显示在图38电影法向应力保持不变的上表面向下移动,但当发生界面分子吸引力急剧下降,最终达到最低。正常的压力可能显著增加之后连一个小压缩应变由于分子间斥力强,也就是说,的潜力。事实上,我们的“压缩”力学研究表明~ 1σ间隙获得功能性膜比非功能膜在人类发展指数前互动发生,表明减少润滑剂拾音器事件功能项目。在“张力”力学,一种不可逆转的法向应力剖面(滞后)的观察,尤其是对功能性PFPE电影,这可能是相关的粘弹性和粘滞作用PFPE nanofilm也取决于顶部表面的收缩速率。

作为一个最经典的粘弹性模型聚合物系统,麦克斯韦模型与多个放松模式采用来理解PFPE的粘弹性特性参量。麦克斯韦模型可以表示为一个纯粹的粘性与粘度的减震器和一个纯粹的弹性弹簧的弹簧常数串联连接,如图39(一个)。

聚合物/寡聚系统的弛豫过程通常不能被单一弛豫时间;因此,模式麦克斯韦模型通常是首选(图39 (b):),给出了松弛模 在这里,和()是离散弹簧常数和相关材料的松弛时间,分别。这一观点可以从时域转换到空间域,缩率()的前壁保持不变。因此,(19)是用来模拟电影正应力与。这个适合只局限于张力过程由蓝色表示符号数字40和41: 这里,“0”代表参考点,两部电影是完全合并成一个斥力发生之前在电影在电影里面。

从“张力”正常压力资料,我们发现PFPE分子可能会经历两个步骤的放松,尤其是功能性项目,显示急剧倾斜的开始“张力”过程而斜率泄露一旦墙大于20分离σ在图41。因此,将2 (19)。安装弹性模和通过模式麦克斯韦模型非功能和功能PFPE电影都列在表中8,只有一个物理模式是观察到的非功能性PFPE电影,放松相关骨干的珠子,而第二个模式弹性模量较弱但时间弛豫时间的捕获功能PFPE电影,放松相关功能的珠子。因此,我们相信,在初始状态的“张力”过程中,骨干珠子的放松是占主导地位。然而,第二阶段的“张力”,显示了明显的长尾的行为,主要归因于功能珠子。

5。总结和讨论

在这篇文章中,我们已经描述了一个多尺度建模框架人类发展指数的材料。从原子论的规模开始,我们调查的影响详细的原子论的体系结构对分子内和分子间PFPE自由度。bottom-scale模型允许我们探讨原子论的各种PFPE / COC材料之间的相互作用强度对出于需要工程师移动润滑剂,并有很强的COC附着力。通过从下到上的方法,原子论的信息传递给分子规模通过粗粒度的过程。这个粗粒度的包括基于原子论的发展与减少自由度的汉密尔顿构象和互动的优势。在分子尺度,体积和表面的分子动力学允许调查PFPE一系列官能团组成的属性。这些属性包括扩散、回转半径,电影形态学和nanorheological性能。因此,我们演示了一种系统化的方法探索人类发展指数;然而,这种方法也适用于其他物理系统与现象发生的时间和长度尺度。同样的方法后,扩展将其他重要问题在人类发展指数系统的性能。 As discussed earlier, advanced COC materials such as graphene have the potential to provide significant savings in the COC layer thickness. However, factors such as the thermo-mechanical properties in the harsh HDI environment must be well understood. Thus, we apply our multiscale approach to investigating the mechanical performance of graphene under stress with various defects and grain boundaries via ab initio and molecular dynamics calculations [55]。其他COC配置与石墨烯增强了富勒烯也被认为是一种新型固态缓冲层,如图42。

由于显著的兴趣heat-assisted磁记录(HAMR),我们也研究纳米尺度传热在石墨烯和其他电影通过MD和中尺度晶格玻尔兹曼方法(加快)56- - - - - -58]。符合我们的多尺度方法,HAMR对人类发展指数的影响材料的问题也研究了原子论的规模使用密度泛函理论基础从头开始分子动力学(AIMD)。上下文中的AIMD模拟是HAMR条件和更高的规模是一个自然的补充经典MD /加快研究表现最好的材料在底部,高分辨率更高尺度规模进一步评估。

在我们的集成模型,我们得到了从粗粒度模型中尺度属性,使自底向上的方法。这意味着中尺度模式可以通过连续系统来源于从头开始模拟粗粒化。加快中尺度/连续介质理论,可以合并到最高粗粒度模型(例如,SRS模型(59)由于加快particle-based假设(60- - - - - -65年]。因此,加快可以作为构建的基本构建块中尺度/连续介质模型描述为润滑剂以及空气轴承系统(ABS)。自加快瞬态物理的本质和简单的算法并行计算,热/机械模型将整合与集成模型还包括吸附/解吸动力学、蒸发和热氧化降解PFPE在高温润滑剂。

确认

这项工作是由希捷科技支持,出版费用支付的是强身健体,西部数据公司。

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