研究内容
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研究の目的 研究テーマ
トライボロジー概観
まずは,トライボロジー(Tribology)とは何かということから始めたい.その専門用語としての
定義は,経済開発協力機構(OECD)によれば,「トライボロジーとは相対運動下で相互作用を及ぼし
あう表面およびそれに関連する諸問題と実地応用の科学技術である」(Tribology is the sience
and technology of interacting surfaces in relative motion and of related subjects and
practices)となっている.もっと狭く具体的に言うと摩擦や摩耗・潤滑についての科学技術である.
我々は日常生活においても摩擦・摩耗・潤滑に深く関わっている.例えば,摩擦がないと車は
走れないし,人が歩くこともできない.タイヤや靴は使っているうちに擦り減って(摩耗して)
くる.摩擦や摩耗は時に人にとって都合よく働き,時に悪さをする.この悪さをする部分を何とか
して改善しようというのが潤滑である.
摩擦を減らし,動きをよくする方法は紀元前にすでに考案されていた.例えば古代エジプトでは,
大きな石や像を引きずって運ぶのに何か液体を使用している(図1
).これは,いわゆる潤滑油である.現代では身近な
ものとして自動車に使用するエンジンオイルなどがある(自動車はトライボロジーの宝庫で
ある).また,アッシリア人は,動かしたいものと地面の間に丸い棒(丸太?)を入れ,この棒を転がすこと
によって摩擦を減らした(図2).これは物体と物体の間に転がり要素
を入れて動きやすくするもので,現代では転がり軸受などに使用されている(
図3).
このようにトライボロジーは古くから考えられ,取り入れられてはいるもののこれを体系的・
学問的に研究するとなると一筋縄ではいかない.相対運動する物体が何でできているのかという
材料の問題,その運動が滑りなのか転がりなのかという運動形態の問題,物体の形が平面か球か
棒かという幾何学的な形状の問題,どんな潤滑剤がどう働くのかという問題などなど問題が
散在しているのである.加えて有名な物理学者Wolfgang Pauliが「神が物体を作り,
悪魔が表面を作った」(God made solids, but surfaces were made by the Devil.)と
言ったほどの”表面”を扱うのであるからこれはもう相手に不足はない,という感じ
である.この難解な現象を相手にトライボロジスト(トライボロジーの研究者)は数学,物理学,
化学,材料学,弾塑性学,流体力学,分子動力学,果ては医学,生物学エトセトラエトセトラを
駆使して日夜研究に励んでいるのである.トライボロジストの分野も理学・工学を問わず多分野
から構成されている.このように,トライボロジーはあらゆる分野にまたがる広大な学際的学問であり,
トライボロジストの活躍するフィールドもまた広大な領域となっている.
研究の目的
研究の目的は,「液体を介した固体表面間相互作用の解明と
その応用」である.これを3つの大きなテーマに分けて
研究を進めている.「液体超薄膜とそのトライボロジー特性」,「固体表面間の
液体架橋のダイナミクス」,「コンタクトスライダの追従特性解析」である.また,
これらを連携させ,”摩擦の制御”および”システムの安定性”を議論する
ことも重視している.
研究テーマ
大テーマ1:液体超薄膜とそのトライボロジー特性
2つの固体表面が介在液体分子数分子層程度の距離に接近したとき,固体表面間相互作用および
介在液体膜の性質はバルク液体から予想されるものとはまったく異なったものであることが知られ
ている.例えば,固体表面近傍では液体分子が層状に配列しており,これによって液体の膜厚さが
階段状に変化するなど,もはや従来の連続体理論では取り扱いが困難な領域となる(図4).本研究ではこうした非常に接近した固体表面間に介在する液体膜の性質
および固−固,固−液相互作用を理論的・実験的に研究する.また,スクイズフィルム効果やくさ
び効果など工業的に実際に利用されているトライボロジー現象についてもシミュレーションを行う.
テーマ:
・分子動力学による液体超薄膜潤滑シミュレーション
・液体中での固体表面の弾性接触状態解析
・液体超薄膜潤滑の潤滑領域図の作成
・ナノレオメータの開発
・液体超薄膜および固体表面微細構造による摩擦力の制御に関する研究
大テーマ2:固体表面間の液体架橋のダイナミクス
固体表面間に液体架橋(メニスカス)が形成されたとき,メニスカス力が発生する.2つの
固体表面が互いに相対運動するとき,液体架橋がどのように形成され,運動中に2面間に働く
メニスカス力がどのように変化し,そして液体架橋がどのように破断するのか(図5)を連続体的および分子的立場から理論的に考察する.また,液体架橋の
振動応答測定装置を開発し,実験的にもその動的特性を調べる.
テーマ:
・分子動力学によるメニスカス形成シミュレーション
・動的メニスカス力測定装置の開発
・メニスカスの振動応答に関する実験的研究
・メニスカスの破断に関する研究(実験・理論)
・固体表面上の液滴端における表面の弾性変形解析
大テーマ3:コンタクトスライダの追従特性解析
現在,ハードディスクの磁気ヘッドは空気膜を介して記録媒体から50nm以下で浮上している
(空気浮上型ヘッドについてはシミュレーション力学研究室のホームページを参照してください).しかし,
記録密度向上のために記録媒体に磁気ヘッドを接触させて情報を読み書きする新しい方式が考え
出されている.この場合,ヘッドはディスクの粗さやうねりに追従する必要がある.ここでは磁気
ヘッドを3次元モデル(図6)で表し,ディスクの表面エネルギー
やメニスカス力を考慮してその追従特性を解析する.
テーマ:
・メニスカス力を考慮したコンタクトスライダの追従特性解析と設計への応用
その他,「固体表面における液体分子多孔膜の性質とそのトライボロジー特性」
「エンジン動弁系における絶対エネルギー損失」などもテーマとして考えている.
長い文章を読んでいただきましてありがとうございました.本研究内容についてご意見・ご教示
などございましたら下記までご連絡ください.
松岡広成:hiro@damp.tottori-u.ac.jp