FRIPRO-Fri prosjektstøtte

Friksjon mellom faste overflater er et viktig fenomen i hverdagen. Uten dette ville det være umulig å gjøre noe så enkelt som å holde et papir. En stor del av den totale energiproduksjonen i industrialiserte land tappes gjennom friksjon og slitasje. Med det økende behovet for ren, bærekraftig produksjon og bruk av energi er det et presserende behov for bedre teknologi for å redusere friksjon og for bedre forståelse av friksjon og smøring (tribologi), både i makroskopisk og mikroskopisk skala. En ny utvikling i friksjonsforskning og et lovende grunnlag for bedre smøremidler er elektrolytt-systemer: vannbaserte elektrolytt-løsninger (salt-løsninger) og ioniske væsker (flytende salt). Vannbasert synovialvæske for eksempel smører leddene til levende vesener utrolig effektivt. Disse systemene kan opprettes med et stort utvalg av egenskaper og mulighetene for innovative applikasjoner er uendelige. Vannbaserte smøremidler er også billigere, og kan gjøres miljøvennlige og enklere å rydde opp enn mineraloljer. Dessverre er utviklingen av ny teknologi vanskelig på grunn av vår mangel på systematisk teoretisk forståelse. Utfordringen ligger i det samme som gjør disse systemene så interessante og potensielt nyttige: kompliserte samspill og geometri i molekylene. Målet med dette prosjektet har vært å gjøre noe med det og få teoretisk forståelse, som forbinder elektrolytmolekylers egenskaper med viskositeten til et smøremiddel som inneholder dem. Dette prosjektet har tatt en generell og kraftig tilnærming basert på kinetisk teori om gasser og væsker, som beskriver forholdet mellom transportegenskaper og dynamikken i samvirkende molekyler. Prosjektet kombinerer penn- og papirberegninger med simuleringer av enkle modellvæsker. Vi har utviklet en teori for viskositeten til dipolare harde sfærer. Denne teorien er i stand til å beskrive effektene av klinger av partikler, som andre teorier så langt ikke hadde, og som er viktig for å forstå viskositeten til væsker med hydrogenbinding, som vann. Vår metode er ganske generell og vi har også vist at den kan hjelpe oss å forstå viskositeten til andre væsker. Vi har undersøkt effekten av eksterne elektriske felt klyngedannelsen og hvordan dette påvirker viskositeten. Til slutt har vi utvidet teorien vår til blandinger, siden mange smøremidler og andre væsker av interesse er blandinger. Disse resultatene gjør oss i stand til å forstå effekten av elektrostatiske interaksjoner under en rekke forhold som er relevante for applikasjoner.

The main outcome of this project has been the development of theory and understand of the viscosity of polar and other complex fluids. The theoretical approaches we have developed are quite general, and have allowed us to understand the effects of different long-range interactions, external fields, and mixtures. The push for environmentally-friendly water-based (polar) lubricants is intensifying, and new lubricants are needed for new applications, such as electric cars. These results will have an impact on these developments, as they will allow us to determine more quickly and easily what the consequences of mixing specific compounds together will be for the viscosity of the lubricant.

This project is concerned with the transport properties, especially the viscosity, of electrolyte systems: aqueous electrolyte (salt) solutions and ionic liquids (liquid electrolytes). These systems are becoming a new frontier in friction research and are very promising for low-friction applications, as demonstrated for instance by the amazing effectiveness with which water-based synovial fluid lubricates our joints. Development and implementation of new technologies, however, is blocked by our lack of systematic theoretical understanding. We do not yet have sufficient understanding of the viscosity of these complex liquids to be able to control it. The aim of this project is to remedy this situation and develop general understanding and practical methods for calculating the viscosity of electrolyte systems. The challenge lies in the large number of parameters and the complicated dynamics that result from the presence of electrostatic interactions. As a result, theoretical work has so far been limited to detailed atomistic simulations. These are extremely demanding and can only give insight into specific systems, but it is simply not feasible to simulate enough different systems to deduce general trends. This project will instead use a more challenging but ultimately much more powerful analytical approach based on kinetic theory of fluids. New theory will be developed and used to compute viscosities of complex electrolyte liquids. The theoretical development will be combined with simulations of simple model fluids that will be used to test the validity of approximations and check results. Along with this, there will be close interaction with experimental and theoretical groups in Stockholm and at Imperial College London.