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JP3704071B2 - Lubrication system with carbon ball molecules or carbon tube molecules - Google Patents

Lubrication system with carbon ball molecules or carbon tube molecules Download PDF

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JP3704071B2
JP3704071B2 JP2001256027A JP2001256027A JP3704071B2 JP 3704071 B2 JP3704071 B2 JP 3704071B2 JP 2001256027 A JP2001256027 A JP 2001256027A JP 2001256027 A JP2001256027 A JP 2001256027A JP 3704071 B2 JP3704071 B2 JP 3704071B2
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Japan
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molecules
graphite
carbon
lubrication system
film
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浩治 三浦
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Japan Science and Technology Agency
National Institute of Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Japan Science and Technology Agency
National Institute of Japan Science and Technology Agency
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、炭素ボール分子または炭素チューブ分子による潤滑システムに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、マイクロマシン,ナノマシン等においてナノメータスケールの構造物に適用することのできる、摩擦力がほぼゼロの超潤滑性を有する潤滑システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】
従来より、マクロな物体の運動の潤滑、即ちマクロスケールでの物体同士の摩擦の減少を目的とする界面潤滑材等の開発が活発に行われている。たとえば、大気中において高温で用いる潤滑材,潤滑システムの開発や、最近では宇宙開発にも用いることのできる真空中で使用可能な潤滑材,潤滑システムの開発が活発である。
【0003】
一方、今後10年の間にマイクロマシンやナノマシン等の商品化が爆発的に起こり得るが、そこで問題になるのが潤滑システム(潤滑材)のサイズや性質である。たとえば超精密化したマイクロマシンの摩擦隙間はナノメータスケールであるといったように、マイクロマシンやナノマシン等においてナノメータスケールで接触する構造物に適用する潤滑システムとしては、マイクロマシンやナノマシンに比べて同等、もしくはそれらよりも小さいサイズのものが必要とされる。しかしながら上記のようにマクロな物体に用いる潤滑システムは、ナノメータスケールに適用するにはサイズが大きすぎるのである。
【0004】
またマイクロマシンやナノマシンは、「動くことのできない小さなエンジン」と呼ばれているほど静止摩擦の問題が深刻な状況にあり、この問題を解決することができなければマイクロマシンやナノマシンの実用化はないと言われている。現在、実用化を目指すマイクロデバイス等のマイクロメカトロシステム(MEMS)でも、このことが深刻な問題になっている。
【0005】
つまり、物体を小さくしていった場合、質量が寸法の3乗に比例して小さくなるのに対し、表面積は寸法の2乗に比例して小さくなるため、表面の影響が増大してしまうのであり、ナノメータスケールではマクロスケールでの滑り摩擦機構は適用することができず、摩擦が極端に小さいことが必要となるのである。
【0006】
従って、ナノメータスケールに適用できるような全く新しい潤滑システムが強く求められている。
【0007】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、ナノメータスケールにおいて有用な超潤滑性を有する、新しい潤滑システムを提供することを課題としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第1には、炭素ボール分子または炭素チューブ分子がグラファイト基板で挟み込まれていることを特徴とする潤滑システムを提供する。
【0009】
第2には、この出願の発明は、前記第1の発明において、炭素ボール分子が、一方のグラファイト基板に蒸着されていることを特徴とする潤滑システムを提供する。
【0010】
さらに、第3には、前記第1または第2の発明において、炭素ボール分子が、グラファイト基板上で炭素ボール分子層の状態で挟み込まれていることを特徴とする潤滑システムを提供する。
【0011】
そして、第4には、前記第1の発明において、炭素チューブ分子が、グラファイト基板上で炭素チューブ分子アレイの状態で挟み込まれていることを特徴とする潤滑システムを提供する。
【0012】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の炭素ボール分子または炭素チューブ分子による潤滑システムは、従来の問題を解決し、ナノメータスケールで接触する構造物に対して適用することのできる、新しい潤滑システムを提供する。
【0013】
まずこの出願の発明においては、発明者によって、ナノメータスケールに適用可能と考えられる、ナノメータスケールのサイズを持つ炭素ボール分子および炭素チューブ分子に注目した。
【0014】
炭素ボール分子は、C60を初めとしてC70、C76、C78、C80、C82、C8486、C88、C90、C92、C94、C96等が知られており、炭素による6員環と5員環のネットワークで閉じた中空殻状をしており、フラーレンとも呼ばれている。また炭素チューブ分子は、グラファイトの層(グラファイトシート)をくるりと巻いて作るような導管形状をしており、炭素ボール分子と同様に、炭素による6員環と5員環のネットワークで閉じた中空殻状をしている。
【0015】
炭素ボール分子の一例であるC60分子の形状は、図1に示しているように球状に近いため転がりが期待でき、また表面張力が小さいことがわかっている。尚、C60分子の分子量は720.66で、質量数が720であり、図2に示すようにC60分子の直径は約0.7nmで、C60結晶中の粒子間距離は約1.0nmある。また、炭素チューブ分子も管状であるため、炭素ボール分子と同様に転がりが期待でき、これらの転がりの性質を利用することで炭素ボール分子および炭素チューブ分子がナノメータスケールで有用な潤滑材となることが期待できる。
【0016】
60のみでなくC70、C76、C78、C80、C82、C8486、C88、C90、C92、C94、C96等の他の炭素ボール分子も上記のような性質を有しており、炭素ボール分子は摩擦力が極端に小さいため有用な潤滑物質となることが期待できる。
【0017】
また、炭素ボール分子及び炭素チューブ分子が転がりを起こすためには、分子とその基板となる下地の物質が重要となり、その下地に炭素ボール分子及び炭素チューブ分子と同じ元素、構造を持つグラファイトを基板として用いることで、グラファイトの6員環と炭素ボール分子または炭素チューブ分子の6員環がかみ合い、炭素ボール分子及び炭素チューブ分子がグラファイト上で転がることができるため、ナノメータスケールで用いることのできる摩擦がほぼゼロの超潤滑性を有する潤滑システムを提供することができる。
【0018】
炭素ボール分子を潤滑材とした場合、それをグラファイト基板の上に蒸着させて炭素ボール分子でできた膜を形成し、さらにその上からグラファイト基板で挟み込むようにすることで潤滑システムを提供できる。
【0019】
炭素チューブ分子を潤滑材とした場合は、それを炭素チューブ分子アレイの状態でグラファイト基板上に載せ、さらにその上からグラファイト基板で挟み込むことで潤滑システムを提供できる。
【0020】
つまり、図3に示しているように、炭素ボール分子(1)の膜(または炭素チューブ分子)を2枚のグラファイト基板(2)で挟み込み、それらのグラファイト基板(2)のうちの上に乗っている方のグラファイト基板(2)上に可動させたいマイクロ物体(3)を置くことによって、摩擦を問題としないマイクロ物体(3)の移動が可能となるのである。
【0021】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【0022】
【実施例】
<実施例1>
炭素ボール分子や炭素チューブ分子が転がりを起こすためには、その基板となる下地の物質が重要となるため、本発明者はグラファイトとKClを下地にして炭素ボール分子がそれらの下地上にどのように蒸着するかを調べる実験を行った。
【0023】
まず、本発明者は図4に示しているように、炭素ボール分子の例としてC60およびC70を用いて、グラファイトとKCl(001)表面の上に、C60膜とC70膜を蒸着によって形成した。
【0024】
図4に示しているように、C60またはC70を真空槽内に設置されているBN坩堝に入れ、そのBN坩堝を400℃に熱することで、C60およびC70を蒸発させ、グラファイトとKCl(001)表面に蒸着させた。また、このときグラファイトとKCl(001)の温度を、C60膜とC70膜の成長速度を制御するために150℃〜200℃に維持させた。
【0025】
ここではC60膜とC70膜のグラファイトとKCl(001)表面への蒸着状況を調べるため、原子間力顕微鏡(AFM)を用いた。
【0026】
図5の上図はKCl(001)表面上のC60アイランド(島)とC70アイランド(島)のAFM像(原子間力顕微鏡で見た凸凹像)である。図5の下図の高さ分布からC60アイランドは20〜30nmとなっており、C60分子1個の直径が約1nmと考えると20〜30分子層から成ることがわかる。またC70アイランドは約60nmとなっており、60分子層程度から成っていることがわかる。
【0027】
図6(a)と図6(b)の上図は、グラファイト上のC60膜とC70膜の成長初期のAFM像である。図6(a)の中図の高さ分布に示されるように、C60膜の厚さが約1nmであることからこのC60膜は単層膜であることがわかる。
【0028】
また図6(b)の下図に示すように、C70膜の厚さが約2nmであることから、C70膜は2層膜であることがわかる。この実験ではグラファイトの上ではC70の単層膜は見られなかったが、これはC70分子の6員環がこの楕円体分子のトップに位置していないため、一様な単層膜の形をもって成長しにくいためと考えられる。
【0029】
この実験の結果から、KCl(001)基板上にできるC60アイランドとC70アイランドに比べて薄い単層もしくは2層のC60膜、C70膜がグラファイト基板上に形成されるため、C60とC70をナノメータスケールでの潤滑材とするためには、下地にはグラファイト基板が適していると言える。またグラファイト基板上のC60膜およびC70膜は単層膜もしくは2層の膜であることから、C60とC70の転がりの性質を良好に利用することが可能となる。
【0030】
また、グラファイトはC60、C70と同じ元素、構造を持つため、グラファイトを基板として用いることでグラファイトの6員環とC60、C70の6員環がかみ合いC60、C70がグラファイト上で転がることができる。
【0031】
<実施例2>
またグラファイト上のC60膜の分子操作にどれくらい力(せん断力)が必要であるかを測る実験を行った。せん断力が小さければそれだけ分子操作を楽に行えるということであり、潤滑性が高いと言える。
【0032】
図7の上図に、図6(a)のC60単層膜のAFM像が負荷の増加に対しどのように変化するかを示す。図7の上図において、負荷が−9nNから0nNまで増加するとグラファイトの上のC60単層膜が掃引される様子が見られる。引き離し力を−10nNとし、チップ半径15nmを用いて評価されたチップ負荷に対する接触半径が図7の左下図に示される。0nNの負荷で探針チップとC60単層膜の接触半径は1.3nmと評価される。これは図7の右下図中の大きな円内の7分子程度の接触面積を与える。このときの平均摩擦力は3nNであったので、7分子が3nNの水平力で移動すると仮定すると、C601分子をグラファイトの上で移動するのに必要なせん断力は約0.4nNであって、通常の分子のせん断力と比べて1桁〜2桁も小さい値となっており、C60の潤滑性は極めて高いものであると考えられる。
【0033】
またグラファイト上でのC70の同様の実験では、C70分子はC60分子に比べてもっと小さい力で掃引された。このことから、C70−グラファイト界面の相互作用はC60−グラファイト界面の相互作用よりも弱いことが示唆され、グラファイト上ではC70の方がC60に比べて潤滑性が高いと言える。
【0034】
<実施例3>
また、本発明者は摩擦力顕微鏡(FFM)を用いて、KCL(001)表面上およびグラファイト上における炭素チューブの特性を調べた。
【0035】
図8(a)に示しているように、KCL(001)表面上の多くの炭素チューブは折れ曲がっている。それと対照的に図8(b)に示しているようにグラファイト上の多くの炭素チューブは折れ曲がることなく、また一定方向に整列していることがわかった。つまり炭素チューブ分子はグラファイト上で平行に配向している(炭素チューブ分子アレイの状態である)と言え、これにより転がりを期待することができる。
【0036】
また、KCl(001)表面上およびグラファイト上での炭素チューブの滑りを調べたところ、KCl(001)表面上でのみ炭素チューブの滑りが見られた。これは、炭素チューブ−グラファイト間のせん断強度の方が、炭素チューブ−KCl(001)間のせん断強度よりも大きいことを意味する。これは、炭素チューブ分子の6員環とグラファイトの6員環がかみ合うことによる。せん断強度が大きいければ滑りよりも転がりの方が起き易く、従って上記のように炭素チューブがグラファイト上で平行に配向するということも考慮すると、グラファイト上で炭素チューブの転がりを利用した潤滑システムが可能となる。
【0037】
<実施例4>
さらに本発明者は、本発明の潤滑システムの潤滑性を調べるため摩擦力を測定する実験を行った。摩擦力の値は走査時に短冊型の片持ちばねを用いて測定した。詳しくは、走査方向に片持ちばねの軸方向を垂直にし、走査時に得られた片持ちばねのねじれ量を測定することによって摩擦力を求めた。
【0038】
図9は本発明の潤滑システムの潤滑性を確かめる試料で、グラファイト基板(4)にC60を蒸着してC60膜(5)を形成し、さらにその上にグラファイト製の薄片(6)を載せて測定試料(7)を作成した。
【0039】
図10(a)はグラファイト基板(4)のみに負荷0nNをかけて走査したもので、摩擦力は2nNであった。
【0040】
図10(b)はグラファイト基板(4)にC60を蒸着してC60膜(5)を形成したものに負荷0nNをかけて走査したもので、摩擦力は10nNであった。
【0041】
また図10(c)は図10(b)のC60膜(5)上にグラファイト製の薄片(6)を乗せた測定試料(7)に負荷0nN〜0.1nNをかけて走査したもので、摩擦力は0.5nNであった。
【0042】
これらから明らかなように図10(c)中の測定試料(7)の摩擦力が最も小さくなっており、本発明の潤滑システムは潤滑性の高いものであると言える。
【0043】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この発明によって、分子ベアリング、分子コロ、分子ギアやマイクロマシン、ナノマシン等において、ナノメータスケールに適用できる摩擦がほぼゼロの超潤滑性を有する潤滑システムが提供され、ナノスケールの分野に大きな進歩をもたらすものとして期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の潤滑システムを成す炭素ボール分子の例としてのC60の分子構造を例示した図である。
【図2】この発明の潤滑システムを成す炭素ボール分子の例としてのC60の結晶構造を例示した図である。
【図3】この発明の潤滑システムを示した概念図である。
【図4】この発明の潤滑システムを成すC60およびC70の基板への蒸着を行うための蒸着装置を例示した概念図である。
【図5】この発明の潤滑システムを成すC60およびC70のKCl(001)表面上のAFM像およびそのラインプロファイルを示した図である。
【図6】この発明の潤滑システムを成すC60およびC70のグラファイト表面上のAFM像およびそのラインプロファイルを示した図である。
【図7】図6のC60単層膜の負荷の増加に対する変化を示した図である。
【図8】炭素チューブのKCL(001)表面上およびグラファイト表面上でのFFM像およびそのラインプロファイルを示した図である。
【図9】この発明の潤滑システムの潤滑性を調べる実験の測定試料を示した図である。
【図10】この発明の潤滑システムの潤滑性を調べる実験の測定方法を示した図である。
【符号の説明】
1 炭素ボール(炭素チューブ)
2 グラファイト基板
3 マイクロ物体
4 グラファイト基板
5 C60
6 グラファイト製の薄片
7 測定試料
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention of this application relates to a lubrication system using carbon ball molecules or carbon tube molecules. More specifically, the invention of this application relates to a lubrication system having superlubricity with almost zero frictional force that can be applied to a nanometer scale structure in a micromachine, a nanomachine, or the like.
[0002]
[Prior art and its problems]
2. Description of the Related Art Conventionally, the development of interfacial lubricants and the like for the purpose of lubricating the motion of macro objects, that is, reducing friction between objects on a macro scale has been actively conducted. For example, the development of lubricants and lubrication systems that are used at high temperatures in the atmosphere, and recently, the development of lubricants and lubrication systems that can be used in vacuum that can also be used in space development are active.
[0003]
On the other hand, commercialization of micromachines and nanomachines may occur explosively over the next 10 years, but the problem is the size and nature of the lubrication system (lubricant). For example, the lubrication system applied to structures that contact at the nanometer scale in micromachines, nanomachines, etc., such as the friction gap of ultra-precision micromachines is on the nanometer scale, is equivalent to, or better than, micromachines and nanomachines. Smaller size is required. However, the lubrication system used for macro objects as described above is too large to apply to the nanometer scale.
[0004]
Also, micromachines and nanomachines are called “small engines that cannot move” and the problem of static friction is so serious that if these problems cannot be solved, there is no practical use of micromachines and nanomachines. It is said. At present, this is a serious problem even in micro mechatronics systems (MEMS) such as micro devices aimed at practical use.
[0005]
In other words, when the object is made smaller, the mass becomes smaller in proportion to the cube of the size, whereas the surface area becomes smaller in proportion to the square of the size, so the influence of the surface increases. In the nanometer scale, the sliding friction mechanism on the macro scale cannot be applied, and the friction needs to be extremely small.
[0006]
Accordingly, there is a strong need for a completely new lubrication system that can be applied to the nanometer scale.
[0007]
Accordingly, the invention of this application has been made in view of the circumstances as described above, and solves the problems of the prior art and provides a new lubrication system having superlubricity useful on the nanometer scale. It is an issue.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention of this application firstly provides a lubrication system characterized in that carbon ball molecules or carbon tube molecules are sandwiched between graphite substrates.
[0009]
Second, the invention of this application provides the lubrication system according to the first invention, wherein the carbon ball molecules are deposited on one graphite substrate.
[0010]
Furthermore, a third aspect of the present invention provides the lubrication system according to the first or second invention, wherein the carbon ball molecules are sandwiched between carbon graphite molecules on a graphite substrate.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the lubrication system according to the first invention, wherein the carbon tube molecules are sandwiched between carbon graphite molecules on a graphite substrate.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The lubrication system with carbon ball molecules or carbon tube molecules of the invention of this application solves the conventional problem and provides a new lubrication system that can be applied to structures contacting on the nanometer scale.
[0013]
First, in the invention of this application, the inventors focused on carbon ball molecules and carbon tube molecules having a nanometer-scale size, which can be applied to the nanometer scale.
[0014]
Carbon ball molecules, C 70, C 76, C 78, C 80, C 82, C 84 C 86, C 88, C 90, C 92, C 94, and C 96 and the like are known to C 60 as a first It has a hollow shell shape closed by a network of 6-membered and 5-membered rings made of carbon, and is also called fullerene. The carbon tube molecule is shaped like a conduit made by rolling a graphite layer (graphite sheet). Like the carbon ball molecule, the carbon tube molecule is a hollow closed by a network of 6-membered and 5-membered rings of carbon. It has a shell shape.
[0015]
As shown in FIG. 1, since the shape of the C 60 molecule, which is an example of the carbon ball molecule, is almost spherical, it can be expected to roll and the surface tension is small. The C 60 molecule has a molecular weight of 720.66 and a mass number of 720. As shown in FIG. 2, the diameter of the C 60 molecule is about 0.7 nm, and the distance between particles in the C 60 crystal is about 1. 0 nm. In addition, since the carbon tube molecule is also tubular, it can be expected to roll in the same manner as the carbon ball molecule, and by utilizing these rolling properties, the carbon ball molecule and the carbon tube molecule can be useful lubricants on the nanometer scale. Can be expected.
[0016]
In addition to C 60 , other carbon ball molecules such as C 70 , C 76 , C 78 , C 80 , C 82 , C 84 C 86 , C 88 , C 90 , C 92 , C 94 , and C 96 are also as described above. The carbon ball molecules can be expected to be a useful lubricating substance because the frictional force is extremely small.
[0017]
In addition, in order for the carbon ball molecules and the carbon tube molecules to roll, the molecules and the underlying material that becomes the substrate are important, and the substrate is made of graphite having the same elements and structure as the carbon ball molecules and the carbon tube molecules. As a result, the 6-membered ring of graphite meshes with the 6-membered ring of carbon ball molecules or carbon tube molecules, and the carbon ball molecules and the carbon tube molecules can roll on the graphite, so that friction that can be used on a nanometer scale is possible. Can provide a lubrication system having near zero superlubricity.
[0018]
When carbon ball molecules are used as a lubricant, a lubricating system can be provided by depositing the carbon ball molecules on a graphite substrate to form a film made of carbon ball molecules and sandwiching the film with the graphite substrate.
[0019]
When carbon tube molecules are used as a lubricant, a lubrication system can be provided by placing the carbon tube molecules on a graphite substrate in the state of a carbon tube molecule array and sandwiching the carbon tube molecules with the graphite substrate.
[0020]
That is, as shown in FIG. 3, a film of carbon ball molecules (1) (or a carbon tube molecule) is sandwiched between two graphite substrates (2) and rides on the graphite substrate (2). By placing the micro object (3) to be moved on the graphite substrate (2) on the other side, the micro object (3) can be moved without causing friction.
[0021]
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings, and embodiments of the present invention will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail.
[0022]
【Example】
<Example 1>
In order for the carbon ball molecules and the carbon tube molecules to roll, the base material serving as the substrate is important. Therefore, the present inventor has examined how the carbon ball molecules are ground on graphite and KCl. An experiment was conducted to examine whether or not to deposit.
[0023]
First, as shown in FIG. 4, the inventor uses C 60 and C 70 as examples of carbon ball molecules, and deposits a C 60 film and a C 70 film on the surface of graphite and KCl (001). Formed by.
[0024]
As shown in FIG. 4, C 60 or C 70 is put in a BN crucible installed in a vacuum chamber, and the BN crucible is heated to 400 ° C., thereby evaporating C 60 and C 70. And deposited on the surface of KCl (001). At this time, the temperatures of graphite and KCl (001) were maintained at 150 ° C. to 200 ° C. in order to control the growth rate of the C 60 film and the C 70 film.
[0025]
Here, an atomic force microscope (AFM) was used to examine the deposition state of the C 60 film and the C 70 film on the graphite and KCl (001) surfaces.
[0026]
The upper diagram of FIG. 5 is an AFM image (an uneven image viewed with an atomic force microscope) of C 60 island (island) and C 70 island (island) on the surface of KCl (001). From the height distribution in the lower diagram of FIG. 5, the C 60 island is 20 to 30 nm, and it can be seen that if the diameter of one C 60 molecule is about 1 nm, it is composed of 20 to 30 molecular layers. Moreover, it can be seen that the C 70 island is about 60 nm, and is composed of about 60 molecular layers.
[0027]
The upper diagrams of FIGS. 6A and 6B are AFM images at the initial stage of growth of the C 60 film and the C 70 film on graphite. As shown by the height distribution in the middle diagram of FIG. 6A, the thickness of the C 60 film is about 1 nm, which indicates that the C 60 film is a single layer film.
[0028]
Further, as shown in the lower diagram of FIG. 6B, since the thickness of the C 70 film is about 2 nm, it can be seen that the C 70 film is a two-layer film. In this experiment, no C 70 monolayer was found on the graphite, because the six-membered ring of the C 70 molecule is not located at the top of this ellipsoidal molecule, It is thought that it is difficult to grow with shape.
[0029]
Since the results of this experiment, KCl (001) thin single-layer or two-layer C 60 film as compared with the C 60 islands and C 70 islands can on the substrate, C 70 film is formed on a graphite substrate, C 60 to the C 70 and lubricant in the nanometer scale and is said to base is suitable graphite substrate. Further, since the C 60 film and the C 70 film on the graphite substrate are single-layer films or two-layer films, it is possible to make good use of the rolling properties of C 60 and C 70 .
[0030]
Further, graphite is the same element as the C 60, C 70, due to its structure, C 60 meshing six-membered ring of 6-membered ring and C 60, C 70 graphite by using a graphite as the substrate, C 70 is the graphite Can roll on.
[0031]
<Example 2>
Also it was how much force (shearing force) measure necessary or experiment molecular manipulation C 60 films on graphite. This means that the smaller the shear force, the easier the molecular operation, and the higher the lubricity.
[0032]
The upper diagram of FIG. 7 shows how the AFM image of the C 60 monolayer film of FIG. 6A changes with increasing load. In the upper diagram of FIG. 7, it can be seen that the C 60 monolayer film on the graphite is swept as the load increases from −9 nN to 0 nN. The contact radius with respect to the chip load evaluated using a pulling force of −10 nN and a chip radius of 15 nm is shown in the lower left diagram of FIG. With a load of 0 nN, the contact radius between the probe tip and the C 60 monolayer film is evaluated as 1.3 nm. This gives a contact area of about 7 molecules within a large circle in the lower right diagram of FIG. Since the average friction force at this time was 3 nN, assuming that 7 molecules move with a horizontal force of 3 nN, the shear force required to move 1 molecule of C 60 on the graphite was about 0.4 nN. Thus, it is a value that is 1 to 2 orders of magnitude smaller than the shear force of normal molecules, and it is considered that the lubricity of C 60 is extremely high.
[0033]
Also in a similar experiment C 70 on graphite, C 70 molecules had been swept with smaller force as compared with the C 60 molecule. This suggests that the interaction at the C 70 -graphite interface is weaker than the interaction at the C 60 -graphite interface, and it can be said that C 70 has higher lubricity than C 60 on graphite.
[0034]
<Example 3>
In addition, the present inventor examined the characteristics of the carbon tube on the KCL (001) surface and graphite using a friction force microscope (FFM).
[0035]
As shown in FIG. 8 (a), many carbon tubes on the KCL (001) surface are bent. In contrast, as shown in FIG. 8 (b), it was found that many carbon tubes on graphite were not bent and aligned in a certain direction. That is, it can be said that the carbon tube molecules are oriented in parallel on the graphite (in a state of a carbon tube molecule array), and thereby rolling can be expected.
[0036]
Further, when the slip of the carbon tube on the KCl (001) surface and graphite was examined, the slip of the carbon tube was found only on the KCl (001) surface. This means that the shear strength between the carbon tube and the graphite is larger than the shear strength between the carbon tube and KCl (001). This is because the 6-membered ring of the carbon tube molecule and the 6-membered ring of graphite are engaged. If the shear strength is high, rolling is more likely to occur than slipping. Therefore, considering the fact that the carbon tubes are oriented in parallel on the graphite as described above, a lubrication system that uses the rolling of the carbon tubes on the graphite can be used. It becomes possible.
[0037]
<Example 4>
Furthermore, the present inventor conducted an experiment to measure the friction force in order to investigate the lubricity of the lubrication system of the present invention. The value of the frictional force was measured using a strip type cantilever spring during scanning. Specifically, the frictional force was determined by making the axial direction of the cantilever spring perpendicular to the scanning direction and measuring the amount of torsion of the cantilever spring obtained during scanning.
[0038]
FIG. 9 is a sample for confirming the lubricity of the lubricating system of the present invention. C 60 is deposited on a graphite substrate (4) to form a C 60 film (5), and a graphite flake (6) is further formed thereon. A measurement sample (7) was prepared.
[0039]
FIG. 10 (a) shows a scan with a load of 0 nN applied only to the graphite substrate (4), and the frictional force was 2 nN.
[0040]
FIG. 10 (b) obtained by scanning over a load 0nN to that by depositing C 60 to form a C 60 film (5) to the graphite substrate (4), the friction force was 10 nN.
[0041]
Also FIG. 10 (c) obtained by scanning over a load 0nN~0.1nN the measurement sample (7) carrying the graphite flake (6) to the C 60 film (5) on shown in FIG. 10 (b) The frictional force was 0.5 nN.
[0042]
As is clear from these, the frictional force of the measurement sample (7) in FIG. 10C is the smallest, and it can be said that the lubrication system of the present invention has high lubricity.
[0043]
【The invention's effect】
As described above in detail, the present invention provides a lubrication system having superlubricity with almost zero friction applicable to the nanometer scale in molecular bearings, molecular rollers, molecular gears, micromachines, nanomachines, etc. It is expected to bring about great progress.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a molecular structure of C 60 as an example of a carbon ball molecule constituting a lubrication system of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a crystal structure of C 60 as an example of a carbon ball molecule constituting the lubrication system of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a lubrication system of the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a vapor deposition apparatus for performing vapor deposition on C 60 and C 70 substrates constituting the lubrication system of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an AFM image on a KCl (001) surface of C 60 and C 70 and a line profile thereof forming the lubrication system of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an AFM image on a C 60 and C 70 graphite surface and a line profile thereof forming the lubrication system of the present invention.
7 is a diagram showing a change with respect to an increase in load of the C 60 monolayer film of FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing an FFM image and a line profile thereof on a KCL (001) surface and a graphite surface of a carbon tube.
FIG. 9 is a view showing a measurement sample of an experiment for examining the lubricity of the lubrication system of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a measurement method of an experiment for examining the lubricity of the lubrication system of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Carbon ball (carbon tube)
2 Graphite substrate 3 Micro object 4 Graphite substrate 5 C 60 film 6 Graphite flake 7 Measurement sample

Claims (4)

炭素ボール分子または炭素チューブ分子が、グラファイト基板で挟み込まれていることを特徴とする潤滑システム。A lubrication system, wherein carbon ball molecules or carbon tube molecules are sandwiched between graphite substrates. 炭素ボール分子が、一方のグラファイト基板に蒸着されていることを特徴とする請求項1の潤滑システム。The lubrication system of claim 1, wherein the carbon ball molecules are deposited on one of the graphite substrates. 炭素ボール分子が、グラファイト基板上で炭素ボール分子層の状態で挟み込まれていることを特徴とする請求項1または2の潤滑システム。The lubrication system according to claim 1 or 2, wherein the carbon ball molecules are sandwiched in a carbon ball molecular layer state on the graphite substrate. 炭素チューブ分子が、グラファイト基板上で炭素チューブ分子アレイの状態で挟み込まれていることを特徴とする請求項1の潤滑システム。2. The lubrication system according to claim 1, wherein the carbon tube molecules are sandwiched in a carbon tube molecule array on the graphite substrate.
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