WO2022080402A1 - 潤滑層の性能評価方法 - Google Patents

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lubricating layer
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尚平 西澤
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    • G16C10/00—Computational theoretical chemistry, i.e. ICT specially adapted for theoretical aspects of quantum chemistry, molecular mechanics, molecular dynamics or the like
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods

Definitions

  • the present invention relates to a method for evaluating the performance of a lubricating layer.
  • the thickness of the lubricating layer formed as the outermost surface layer on the protective layer of the magnetic recording medium At present, the thickness has reached the thinness of a monomolecular film of 10 ⁇ or less.
  • the performance of the lubricating layer of a magnetic recording medium that has reached the thickness of such a monolayer depends on the difference in the fine structure of the lubricant molecules constituting the lubricating layer. Therefore, microscale simulations focusing on the fine structure of lubricant molecules using molecular dynamics calculations and quantum mechanics calculations have been carried out, and proposals for lubricant molecules have been made (see, for example, Patent Documents 1 and 2). ..
  • the performance of the lubricating layer is defined by macroscopic phenomena such as lubrication and levitation. In the experiment, these phenomena are observed, and the performance such as lubrication performance and levitation performance is evaluated from the observation results. Therefore, in simulations dealing with lubricating layers, it is necessary to predict and quantify such macroscopic phenomena.
  • Patent Document 1 a simulation of a state in which one lubricant molecule is adsorbed on the surface of a protective film is carried out, and the direction of the polar group of the lubricant molecule suggests a reduction in the surface energy of the lubricating layer. There is.
  • Patent Document 2 a simulation is carried out assuming a case where a lubricating layer is formed on the outermost surface of a magnetic recording medium that handles a plurality of molecules under periodic boundary conditions. From this simulation, the film thickness and coverage of the lubricating layer are simulated.
  • Patent Documents 1 and 2 describes or suggests lubrication performance and levitation performance, which are important properties in the current development of lubrication layer molecules.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for evaluating the performance of a lubricating layer, which can evaluate the performance of the lubricating layer.
  • the present inventor has conducted extensive research to solve the above problems. As a result, it was found that the performance of the lubricating layer can be predicted by carrying out the simulation described below.
  • a process of preparing a lubricant molecular model and a protective layer model using quantum chemical calculation and The process of performing the molecular dynamics calculation of the lubricating layer initial model constructed from the lubricant molecular model and the protective layer model, and The process of calculating the index of the degree of adsorption of the lubricant molecule to the protective layer from the result of the molecular dynamics calculation, and Performance evaluation method of the lubricating layer including.
  • [2] A process of preparing a lubricant molecular model and a protective layer model using quantum chemical calculation, and The process of performing the molecular dynamics calculation of the lubricating layer initial model constructed from the lubricant molecular model and the protective layer model, and The process of calculating the index of the degree of lubrication of the lubricant molecule on the protective layer from the result of the molecular dynamics calculation, and Performance evaluation method of the lubricating layer including.
  • Performance evaluation of the lubricating layer for evaluating the performance of the lubricating layer based on two indexes, the index of the degree of adsorption calculated in [1] and the index of the degree of lubrication calculated in [2].
  • the protective layer is a protective layer formed on the surface of a magnetic recording medium.
  • the performance of the lubricating layer is evaluated by simulating the lubricating layer model by molecular dynamics calculation and evaluating the superiority or inferiority of the adsorptivity or the lubricity of the lubricant molecule from the calculated result. can.
  • This makes it possible to select lubricant molecules capable of forming a lubricating layer having performance that satisfies the target at the development site in terms of levitation performance or lubrication performance without experimentation.
  • FIG. 2A is a diagram of only the protective layer
  • FIG. 2B is a diagram in which lubricant molecules are randomly arranged on the protective layer
  • FIG. 2C is a diagram in the middle of a coating simulation. It is a progress diagram
  • FIG. 2D is a diagram in which the coating simulation is completed and the initial model of the lubricating layer is completed.
  • It is a scatter diagram which shows the correlation between the simulation result and the experiment result and is the figure which shows the comparison between the self-diffusion coefficient and the lubricity test result.
  • One form of the performance evaluation method of the lubricating layer according to the embodiment of the present invention is constructed from a step of constructing a lubricant molecular model and a protective layer model using quantum chemical calculation, and a lubricant molecular model and a protective layer model. It includes a step of performing a molecular dynamics calculation of the initial model of the lubricating layer and a step of calculating an index of the degree of adsorption of the lubricant molecule to the protective layer from the molecular dynamics calculation result.
  • the protective layer is a protective layer formed on the surface of the magnetic recording medium
  • the lubricant molecule is the lubricant molecule for the magnetic recording medium
  • the lubricant molecule is used. Examples thereof include a lubricating layer produced in the above-mentioned manner.
  • a magnetic recording layer is formed on a substrate, a protective layer using carbon or the like is formed on the magnetic recording layer, and a lubricant is applied to the surface of the protective layer to form a lubricating layer.
  • a structural model of the lubricant molecule hereinafter referred to as a lubricant molecular model
  • a structural model of the protective layer hereinafter referred to as a protective layer model
  • Examples of the lubricant molecule used in the magnetic recording medium include compounds having a polar group such as a hydroxy group at the end of a fluorine-based polymer having a repeating structure containing a perfluoroether chain (-CF 2- ). Be done.
  • the molecular weight thereof includes those having a molecular weight of about 1000 to 10000.
  • the following general formula (1) represents an example of the fluorine-containing ether compound calculated in this embodiment.
  • This molecule is a chain polymer.
  • X is the main chain portion containing the repeating structure.
  • R1 and R2 are a first terminal portion and a second terminal portion, respectively, and have at least one polar group represented by a hydroxyl group.
  • the structures of R1 and R2 may be the same or different.
  • the protective layer is a layer for protecting the recording layer, and is composed of carbon atoms or silicon carbide.
  • a unit structure of the layer composed of carbon atoms a unit structure of graphene or diamond carbon can be used.
  • the graphene or diamond carbon structure is preferably doped with oxygen, nitrogen or the like. This is because it is possible to strengthen the bond with the polar group of the lubricant by using these as adsorption sites.
  • the smallest unit consisting of 6 carbons is defined as the "unit structure”.
  • the protective layer may be composed of the thickness of one atomic layer or may be composed of a layer of a plurality of atoms.
  • the unit structure of such a protective layer is optimized by quantum chemistry calculation, and this optimized unit structure is protected in the plane direction by repeating it within the range of the periodic boundary cell used in the molecular dynamics calculation described later. Use a layer model.
  • This protective layer model has information on the structure and the charge of each atom, so it can be used appropriately in molecular dynamics calculations.
  • lubricating layer initial model construction process an initial model of the lubricating layer (lubricating layer initial model) is constructed using the lubricant molecular model and the protective layer model created in the previous step.
  • the lubricant molecular model is arranged uniformly on the protective layer model to some extent. Further, it is preferable that the initial model of the lubricating layer is constructed in a periodic boundary cell having a size such that about 10 to 1000 lubricant molecules can be arranged.
  • the lubricant molecules in the initial model of the lubricating layer may be arbitrarily arranged in the vicinity of the protective layer model so that the individual molecules do not overlap, or the initial arrangement stabilized by using molecular dynamics calculation or the like. May be prepared.
  • molecular dynamics calculation can be performed under the following conditions.
  • the conditions for molecular dynamics calculation are not limited to the following.
  • -Cell size 96 ⁇ x 84 ⁇ x 150 ⁇ (periodic boundary cell)
  • -Tracking time 6ns (1 step time 1ps, total number of steps 6 million steps)
  • Temperature 300K (assuming room temperature)
  • GAFF force field-Coulomb interaction calculation method Particle-Particle Particle-Mesh Ewald method
  • ⁇ Step to calculate the index of adsorption degree> The lubricant molecule is adsorbed by the interaction between the polar group in the molecule and the adsorption site of the protective layer model. Therefore, the state in which one adsorbent group in the lubricant molecule is sufficiently close to the surface of the protective layer model is defined as "the state in which it is adsorbed on the protective layer”.
  • adsorption groups A, B, C The method of calculating the index of the degree of adsorption of the lubricating layer composed of the lubricant molecules having a plurality of adsorption groups i (hereinafter, also referred to as adsorption groups A, B, C ).
  • the shape of the lubricant molecule that changes over time and the position of the atoms that make up the lubricant molecule are tracked.
  • Adsorption rate of adsorbent group A number of adsorbent groups A in the adsorbed state / total number of lubricant molecules ... (I)
  • the time average of the calculated adsorption ratio of the adsorption group A is defined as the adsorption probability of the adsorption group A of the lubricant molecule.
  • the sum of the adsorption probabilities of these adsorbents is taken as the net number of adsorbents adsorbed on the protective layer of one lubricant molecule.
  • index Nabs of the degree of adsorption of the lubricating layer. That is, the index Nabs is expressed by the following equation (II).
  • the step of constructing the lubricant molecular model and the protective layer model, the step of constructing the initial model of the lubricant layer, and the step of constructing using the molecular dynamics calculation are carried out in the same manner as the steps included in the above-mentioned step of evaluating the lubricant according to the present embodiment. do.
  • the self-diffusivity coefficient D of the target lubricant molecule is calculated by the following equation (III).
  • t 0 is the initial time
  • r (t) is the position of the center of gravity of the molecule at time t.
  • the self-diffusion coefficient calculated from the lubrication layer simulation is used as an index of the degree of lubrication of the lubrication layer.
  • the molecule whose lubricity value is measured in the experiment relatively evaluates the lubricity of the lubricating layer based on the calculated index of the degree of lubricity.
  • the lubrication layer performance evaluation method can also evaluate the performance of the lubrication layer based on the above-mentioned two indexes of the adsorption degree index and the lubrication degree index.
  • the performance of the lubricating layer can be relatively evaluated based on the index of the degree of adsorption and the degree of lubrication calculated for the molecule whose experimental result is clear.
  • a in the general formula (4) represents an integer of 1 to 3
  • b represents an integer of 0 to 10.
  • C in the general formula (5) represents an integer of 1 to 3
  • d represents an integer of 0 to 10.
  • e represents an integer of 1 to 3.
  • f represents an integer of 1 to 3.
  • g represents 1 to 3. Represents an integer.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the structure of the protective layer used in the simulation.
  • the dark circle 30 indicates a nitrogen atom
  • the light circle 31 indicates a carbon atom
  • the unit structure of each nitrogen-doped graphene is set as a periodic boundary condition setting in which the unit structure is repeated infinitely in the plane direction.
  • the arrows in FIG. 1 indicate the plane direction in which the unit structure is repeated.
  • Each nitrogen-doped graphene is obtained by substituting a part of the carbon atom of graphene with a nitrogen atom.
  • the ratio of nitrogen atoms in each nitrogen-doped graphene was set to 12.5% (number basis).
  • B3LYP / 6-31G * is used as a combination of parameters / basis functions of the density functional theory to calculate the stable structure of the lubricant molecule, and the atomic charge in the obtained stable structure is calculated by the Mulliken population analysis. bottom.
  • HSEH1PBE / 6-31G * was used as a combination of the parameters / basis functions of the density functional theory, and the atomic charge in the obtained stable structure was calculated by Mulliken population analysis.
  • a Gaussian® 16 program package from Gaussian was used for these quantum chemistry calculations.
  • lubrication layer simulation the preparatory calculation for constructing the initial model of the lubricating layer. It consists of two steps of this calculation (hereinafter referred to as lubrication layer simulation) that traces the movement of the actual lubrication layer from the initial layer model.
  • the conditions for the lubricant application simulation were set as follows.
  • a GAFF force field was used as the molecular force field, and the value of the depth parameter of the Lennard-Jones potential between the protective layer and the lubricating layer was scaled 1/2 times to match the result of the quantum chemistry calculation ( ⁇ ). The parameter was halved from the original).
  • the cutoff method was used for the Lennard-Jones interaction. The cutoff distance was 12 ⁇ , where the interaction was negligible.
  • a temperature control method a velocity scaling method was used to perform a simulation using an NVT ensemble in which the number of particles (N), the volume (V), and the temperature (T) were constant.
  • the molecular dynamics calculation used the COGNAC engine of OCTA, which is free software.
  • FIGS. 2A to 2D are schematic views for explaining a lubricant application simulation.
  • reference numeral 1a indicates a lubricant molecule
  • reference numeral 1b indicates a lubricating layer
  • reference numeral 20 indicates a protective layer.
  • the unit structure of the protective layer stabilized by quantum chemistry calculation was spread and arranged in a periodic boundary cell of 96 ⁇ ⁇ 84 ⁇ ⁇ 150 ⁇ to form a protective layer 20.
  • the protective layer was assumed that the atomic position did not change during the simulation, and the atomic position was fixed.
  • lubricant molecules 1a were randomly placed above the surface of the protective layer 20.
  • a lubricating layer with a thin film thickness of about 9 ⁇ was created and the physical property values were measured.
  • the number of molecules of the lubricant molecule 1a was adjusted so that the film thickness in the thermal equilibrium state at room temperature was about 9 ⁇ when the lubricating layer 1b was formed.
  • FIGS. 2 (c) and 2 (d) a downward force is applied to the hydrogen atom arranged at the end of the lubricant molecule 1a, and the molecular dynamics calculation is executed under normal temperature conditions of 300 K. By doing so, the lubricant molecule 1a was lowered, and the lubricant layer 1b was formed on the surface of the protective layer 20, which was used as an initial model of the lubricant layer.
  • FIG. 2C is a structure in the middle of calculation
  • FIG. 2D is a structure of the lubrication layer 1b after calculation at 30 ps.
  • the GAFF force field is used as the molecular force field, and the value of the depth parameter of the Lennard-Jones potential between the protective layer and the lubricating layer is halved to match the result of the quantum chemical calculation. Scaled (the parameter of ⁇ was halved).
  • the cutoff method was used for the Lennard-Jones interaction. The cutoff distance was 12 ⁇ , where the interaction was negligible.
  • the Particle-Particle Particle-Mesh Ewald method was used to calculate the long-distance Coulomb interaction.
  • a velocity scaling method was used to perform a simulation using an NVT ensemble in which the number of particles (N), the volume (V), and the temperature (T) were constant.
  • the molecular dynamics calculation used LAMMPS, which is free software.
  • the distance between the protective layer in the "sufficiently close state" and the adsorbent group was set to 2 ⁇ or less for the hydroxyl group and 3 ⁇ or less for the amino group and the nitrile group.
  • the self-diffusion coefficient of the lubricant molecule was calculated and used as an index of the degree of lubrication.
  • the displacement of the lubricant molecule in the simulation for 6 ns at 300 K was used to calculate the self-diffusion coefficient.
  • Table 1 shows the calculated structure of the lubricating layer and the calculation results of the index of the degree of adsorption (Nabs) and the index of the degree of lubrication (self-diffusion coefficient).
  • the simulation No. Reference numeral 4 is a lubricant molecule that serves as a reference for adsorptivity.
  • a lubricant molecule of Nabs larger than 4 is a lubricant molecule capable of forming a lubricating layer having more excellent adsorptivity.
  • Simulation No. Reference numeral 3 is a lubricant molecule that serves as a reference for lubricity.
  • a lubricant molecule having a self-diffusion coefficient larger than 3 is a lubricant molecule capable of forming a lubricating layer having better lubricity.
  • FIG. 1 a scatter diagram showing both Nabs and the self-diffusion coefficient is shown in FIG.
  • the vertical axis is Nabs, and the reference No.
  • the result of 4 is shown by a horizontal broken line.
  • the horizontal axis is the self-diffusion coefficient, and the reference No.
  • the result of 3 is shown by a vertical broken line.
  • FIG. 4 shows the relationship between the evaluation value of the levitation test and the Nabs calculated by the simulation.
  • the coefficient of determination R2 was about 0.6728, so that there was a sufficient correlation between the buoyancy and Nabs, and the superiority or inferiority of the levitation was judged using Nabs. I was able to confirm that I could do it.
  • FIG. 5 shows the relationship between the evaluation value of the lubricity test and the self-diffusion coefficient calculated by the simulation.
  • the coefficient of determination R2 was about 0.8071, so there was a sufficient correlation between the lubricity and the self-diffusion coefficient, and the lubricity was obtained using the self-diffusion coefficient. It was confirmed that the superiority or inferiority of can be judged.
  • the method for evaluating the performance of the lubricating layer can be suitably used as a method for evaluating the performance of the lubricating layer used for a magnetic recording medium or the like.

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Abstract

本発明の潤滑層の性能評価方法は、潤滑剤分子モデルと保護層モデルとを、量子化学計算を用いて準備する工程と、前記潤滑剤分子モデルと前記保護層モデルから構築した潤滑層初期モデルの分子動力学計算を実施する工程と、前記分子動力学計算の結果から潤滑剤分子の保護層への吸着度合いの指標を算出する工程と、を含む。

Description

潤滑層の性能評価方法
　本発明は、潤滑層の性能評価方法に関する。
　ハードディスクドライブ等の磁気記録再生装置の記録密度を向上させるために、磁気ヘッドの浮上量を小さくすることが要求されている。このため、磁気記録媒体の保護層上に最表面層として形成されている潤滑層の厚みをより薄くすることが求められている。現在、その厚みは１０Å以下という単分子膜レベルの薄さに達している。
　このような単分子膜レベルの厚みに達した磁気記録媒体の潤滑層は、潤滑層を構成する潤滑剤分子の微細な構造の違いによって、その性能が左右される。そのため、分子動力学計算や量子力学計算を利用した潤滑剤分子の微細な構造に着目したミクロスケールのシミュレーションが実施され、潤滑剤分子の提案がなされている（例えば、特許文献１及び２参照）。
日本国特開２０１０－１６８５１２号公報 国際公開第２０１８／１５９２３２号
　潤滑層の性能は、潤滑や浮上に代表されるマクロな現象から定義される。実験ではこれらの現象を観測し、その観測結果から潤滑性能及び浮上性能等の性能を評価する。そのため、潤滑層を取り扱うシミュレーションでは、このようなマクロな現象を予測して数値化することが必要とされる。
　例えば、特許文献１では、潤滑剤分子１つが保護膜表面に吸着している状態のシミュレーションを実施しており、その潤滑剤分子の極性基の向きから潤滑層の表面エネルギーの低減を示唆している。
　一方で、特許文献２では、周期境界条件下で複数の分子を取り扱う、磁気記録媒体の最表面に潤滑層を形成した場合を想定したシミュレーションを実施している。このシミュレーションからは、潤滑層の膜厚と被覆率をシミュレートしている。
　しかしながら、特許文献１及び２のいずれにも、現在の潤滑層分子の開発において重要な特性とされている、潤滑性能及び浮上性能についての記載や示唆はない。
　本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、潤滑層の性能を評価できる潤滑層の性能評価方法を提供する。
　本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、以下に記載するシミュレーションを実施することで、潤滑層の性能を予測できることを見出した。
［１］　潤滑剤分子モデルと保護層モデルとを、量子化学計算を用いて準備する工程と、
　前記潤滑剤分子モデルと前記保護層モデルから構築した潤滑層初期モデルの分子動力学計算を実施する工程と、
　前記分子動力学計算の結果から潤滑剤分子の保護層への吸着度合いの指標を算出する工程と、
を含む潤滑層の性能評価方法。
［２］　潤滑剤分子モデルと保護層モデルとを、量子化学計算を用いて準備する工程と、
　前記潤滑剤分子モデルと前記保護層モデルから構築した潤滑層初期モデルの分子動力学計算を実施する工程と、
　前記分子動力学計算の結果から潤滑剤分子の保護層上での潤滑度合いの指標を算出する工程と、
を含む潤滑層の性能評価方法。
［３］　［１］で算出された前記吸着度合いの指標と、［２］で算出された前記潤滑度合いの指標との２つの指標に基づいて、潤滑層の性能を評価する潤滑層の性能評価方法。
［４］　前記保護層が、磁気記録媒体表面に形成された保護層であり、
　前記潤滑剤分子が、磁気記録媒体用の潤滑剤分子である、［１］～［３］の何れか一つの潤滑層の性能評価方法。
　本発明の上記態様によれば、分子動力学計算により潤滑層モデルのシミュレーションを行い、算出された結果から潤滑剤分子の吸着性又は潤滑性の優劣を評価することで、潤滑層の性能を評価できる。これによって、浮上性能又は潤滑性能について、開発現場での目標を満たす性能を持つ潤滑層を形成できる潤滑剤分子を実験をせずに選別することが可能となる。
保護層の単位構造を示す図である。 塗布シミュレーションの流れを示す図である。図２（ａ）は、保護層のみの図であり、図２（ｂ）は、保護層の上に潤滑剤分子をランダムで配置した図であり、図２（ｃ）は、塗布シミュレーションの途中経過の図であり、図２（ｄ）は、塗布シミュレーションが終了し、潤滑層初期モデルが完成した図である。 シミュレーション結果のＮａｂｓと自己拡散係数との両方を示す散布図である。 シミュレーション結果と実験結果との相関を示す散布図であり、Ｎａｂｓと浮上性試験結果との比較を示す図である。 シミュレーション結果と実験結果との相関を示す散布図であり、自己拡散係数と潤滑性試験結果との比較を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について説明する。以下の実施形態では、分子動力学計算により潤滑層モデルのシミュレーションを行う方法と、この手法により算出された結果を利用して潤滑剤分子の優劣を判定する方法とを開示する。なお、本実施形態は以下の記述によって限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、本明細書において数値範囲を示す「～」は、別段の断わりがない限り、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含むことを意味する。
　本発明の実施形態に係る潤滑層の性能評価方法の一形態は、潤滑剤分子モデルと保護層モデルとを量子化学計算を用いて構築する工程と、潤滑剤分子モデルと保護層モデルから構築した潤滑層初期モデルの分子動力学計算を実施する工程と、分子動力学計算結果から潤滑剤分子の保護層への吸着度合いの指標を算出する工程と、を含む。
　本実施形態に係る評価方法の対象の一例として、保護層が、磁気記録媒体表面に形成された保護層であり、潤滑剤分子が磁気記録媒体用の潤滑剤分子であり、潤滑剤分子を用いて作製される潤滑層等が挙げられる。
　磁気記録媒体は、基板上に磁気記録層が形成され、その磁気記録層上にカーボン等を使用した保護層が形成され、その保護層の表面に潤滑剤が塗布され、潤滑層が形成されている。
　そこで、本実施形態では、磁気記録媒体が有する潤滑層のシミュレーションを行うために、潤滑剤分子の構造モデル（以下、潤滑剤分子モデルと記す。）と保護層の構造モデル（以下、保護層モデルと記す。）を作成し、保護層モデルの上に、任意の数の潤滑剤分子モデルを敷き詰めることで、保護層上に潤滑層が形成されている状況を再現する。
＜潤滑剤分子モデル及び保護層モデル構築工程＞
　本実施形態に係る評価方法は、最初に潤滑層を構成する潤滑剤分子及び保護層のモデルを構築する。
［潤滑剤分子モデル］
　磁気記録媒体に使用される潤滑剤分子としては、例えば、パーフルオロエーテル鎖（－ＣＦ２－）を含む繰り返し構造を有するフッ素系のポリマーの末端に、ヒドロキシ基等の極性基を有する化合物が挙げられる。その分子量としては、１０００～１００００程度のものが挙げられる。
　下記一般式（１）は、本実施形態で計算される含フッ素エーテル化合物の一例を表す。この分子は、鎖状高分子である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
　式（１）中、Ｘは、繰り返し構造を含む主鎖部分である。また、Ｒ１及びＲ２は、それぞれ、第一末端部、第二末端部であり、水酸基に代表される極性基を少なくとも１つ有する。Ｒ１及びＲ２の構造は、同一でもよいし異なっていてもよい。
　このような分子を量子化学計算を用いて構造最適化し、潤滑剤分子モデルとする。このモデルは分子構造と各原子の電荷の情報を有することから、分子動力学計算で適切に使用できる。
［保護層モデル］
　保護層は、記録層を保護するための層であり、炭素原子又は炭化ケイ素から構成される。炭素原子からなる層の単位構造としては、グラフェンやダイヤモンドカーボンの単位構造が使用できる。このグラフェンやダイヤモンドカーボン構造では、酸素や窒素等をドープされていることが好ましい。これらを吸着サイトとすることで、潤滑剤の極性基との結合を強くすることが可能であるためである。
　例えば、グラフェン構造の保護層は、炭素６個からなる最小単位を「単位構造」とする。
　保護層は、原子一層の厚みから構成されていてもよいし、複数原子の層から構成されていてもよい。
　このような保護層の単位構造を量子化学計算で最適化し、この最適化された単位構造を、平面方向に、後述する分子動力学計算で使用する周期境界セルの範囲内で繰り返したものを保護層モデルとする。
　この保護層モデルは、構造と各原子の電荷の情報を有するため、分子動力学計算で適切に使用できる。
＜潤滑層初期モデル構築工程＞
　潤滑層初期モデル構築工程では、前工程で作成した潤滑剤分子モデルと保護層モデルとを用いて、潤滑層の初期モデル（潤滑層初期モデル）を構築する。
　シミュレーションを実施するための潤滑層初期モデルは、保護層モデルの上に潤滑剤分子モデルがある程度均一に並んでいるものが構築されていればよい。また、潤滑層初期モデルは、潤滑剤分子が１０～１０００個ほど配置できる程度の大きさの周期境界セル中に構築することが好ましい。
　潤滑層初期モデルにおける潤滑剤分子の配置方法としては、個々の分子が重ならないように、保護層モデル付近に任意に配置してもよいし、分子動力学計算等を用いて安定化した初期配置を準備してもよい。
＜分子動力学計算を実施する工程＞
　分子動力学計算を実施する工程では、潤滑層初期モデル構築工程で構築した潤滑層初期モデルを用いて、分子動力学計算を実施する。
　例えば、以下の条件で、分子動力学計算を実施できる。なお、分子動力学計算の諸条件は下記に限定されない。
・セルのサイズ：９６Å×８４Å×１５０Å（周期境界セル）
・追跡時間：６ｎｓ（１ステップの時間１ｐｓ、総ステップ数６００万ステップ）
・温度：３００Ｋ（室温を仮定）
・分子力場：ＧＡＦＦ力場
・クーロン相互作用の計算手法：Ｐａｒｔｉｃｌｅ－Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ－Ｍｅｓｈ　Ｅｗａｌｄ法
＜吸着度合いの指標を算出する工程＞
　潤滑剤分子は、分子内の極性基と保護層モデルの吸着サイトとの相互作用により吸着する。そこで、潤滑剤分子内のある１つの吸着基について、保護層モデルの表面に十分近づいている状態を、「保護層に吸着している状態」と定義する。
　複数の吸着基ｉ（以下、吸着基Ａ、Ｂ、Ｃ・・・とも記載する。）を有する潤滑剤分子で構成された潤滑層の吸着度合いの指標を算出する方法を以下に説明する。
　分子動力学計算では、時間経過と共に変化する潤滑剤分子の形状及び潤滑剤分子を構成する原子の位置を追跡する。
　潤滑層全体における、ある時刻ｔにおける、潤滑剤分子中の吸着基Ａの吸着している状態にある割合は、次式（I）で記述できる。
吸着基Ａの吸着割合＝吸着している状態にある吸着基Ａの数／潤滑剤分子の総数　・・・（I）
　算出された吸着基Ａの吸着割合の時間平均を潤滑剤分子の吸着基Ａの吸着確率とする。
　同様の手順を踏むことで、吸着基Ｂ、Ｃ・・・と、すべての吸着基についてその吸着確率を算出する。
　この吸着基の吸着確率の総和をとったものを、潤滑剤分子１つがもつ、保護層と吸着している吸着基の正味数とする。
　この正味数を、潤滑層の吸着度合いの指標Ｎａｂｓとして使用する。すなわち、指標Ｎａｂｓは、次式（II）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　実施例において後述するように、潤滑層の吸着度合いの指標と、実験で測定される浮上性の値は相関関係がある。そのため、潤滑層シミュレーションから算出される吸着度合いの指標に基づいて、浮上性能の良い潤滑層を形成できる潤滑剤分子を選別することが可能となる。具体的には、後述する実施例において示すように、潤滑剤分子の吸着度合いは、実験結果が明らかである分子について算出された吸着度合いの指標を基準とし、相対的に評価する。
　本実施形態に係る潤滑剤の性能評価方法の他の形態は、潤滑剤分子モデルと保護層モデルとを含む潤滑層初期モデルを、量子化学計算を用いて構築する工程と、前記潤滑層初期モデルの分子動力学計算を実施する工程と、分子動力学計算結果から潤滑剤分子の保護層への潤滑度合いの指標を算出する工程と、を含む。
　潤滑剤分子モデル及び保護層モデル構築工程、潤滑層初期モデル構築工程、分子動力学計算を用いて構築する工程は、前述した本実施形態に係る潤滑剤の評価方法が含む工程と同様にして実施する。
＜潤滑度合いの指標を算出する工程＞
　潤滑剤分子の潤滑性は、分子動力学計算の結果得られた、潤滑剤分子の自己拡散係数を算出し、それを潤滑層の潤滑度合いの指標として使用する。
　追跡時間Ｔの分子動力学計算から、対象とする潤滑剤分子の自己拡散係数Ｄは、次式（III）により計算される。なお、式（III）中の、ｔ０は初期時刻であり、ｒ（ｔ）は時刻ｔにおける分子の重心の位置である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　実施例において後述するように、実験で測定される潤滑性の値と、潤滑層シミュレーションから算出される潤滑剤分子の自己拡散係数の値は相関関係にある。そのため、潤滑層シミュレーションから算出される自己拡散係数を、潤滑層の潤滑度合いの指標とする。具体的には、後述する実施例のように、実験で潤滑性の値が測定されている分子は、算出した潤滑度合いの指標に基づいて、潤滑層の潤滑性を相対的に評価する。
　本実施形態に係る潤滑層の性能評価方法は、上述した吸着度合いの指標と、潤滑度合いの指標との２つの指標に基づいて、潤滑層の性能を評価することもできる。この場合には、後述する実施例にあるように、実験結果が明らかである分子について算出された吸着度合いと潤滑度合いの指標とに基づいて、潤滑層の性能を相対的に評価できる。
　以下、実施例により本実施形態を具体的に説明する。なお、本実施形態は下記の実施例により限定されない。
［潤滑剤分子］
　前述した一般式（１）中の主鎖部分Ｘとして、下記一般式（２）又は下記一般式（３）のものを用いた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 （一般式（２）及び一般式（３）中の、ｍ及びｎは１～３０の整数を表す。）
　前述した一般式（１）中の第一末端基Ｒ１及び第二末端基Ｒ２として、以下の構造を用いた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 （一般式（４）中のａは１～３の整数を、ｂは０～１０の整数を表す。一般式（５）中のｃは１～３の整数を、ｄは０～１０の整数を表す。一般式（６）中のｅは１～３の整数を表す。一般式（７）中のｆは１～３の整数を表す。一般式（８）中のｇは１～３の整数を表す。）
　表１に記載したとおりの、主鎖部分Ｘと第一末端基Ｒ１、第二末端基Ｒ２との組み合わせで構成される複数の潤滑剤分子に対して、下記シミュレーションを実施した。
［シミュレーション］
（保護層）
　図１は、シミュレーションに使用した保護層の構造を説明するための模式図である。図１に示すように、シミュレーションでは、保護層として２層の窒素ドープグラフェンを使用した。ここで、濃色の丸３０は窒素原子を示し、淡色の丸３１は炭素原子を示し、各窒素ドープグラフェンの単位構造が平面方向に無限に繰り返される周期境界条件設定とした。図１中の矢印は、単位構造が繰り返される平面方向を示す。各窒素ドープグラフェンは、グラフェンの炭素原子の一部を窒素原子により置換したものである。各窒素ドープグラフェン中の窒素原子の割合は１２．５％（数基準）に設定した。
［潤滑剤分子モデル及び保護層モデルの構築］
　前述した、潤滑剤分子と、保護層の単位構造について、量子化学計算により、安定構造及び各原子の電荷を求めた。それぞれ安定構造を計算する構造の最適化を実行した後、その構造における原子電荷を算出した。
　潤滑剤分子の安定構造の計算には、密度汎関数法のパラメータ／基底関数の組合せとして、Ｂ３ＬＹＰ／６－３１Ｇ＊を使用し、求めた安定構造における原子電荷をＭｉｎｉｍａｌ　Ｂａｓｉｓ　ｓｅｔ　Ｍｕｌｌｉｋｅｎ　ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓにより算出した。保護層の安定構造の計算には、密度汎関数法のパラメータ／基底関数の組合せとして、ＨＳＥＨ１ＰＢＥ／６－３１Ｇ＊を使用し、求めた安定構造における原子電荷をＭｕｌｌｉｋｅｎ　ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓにより算出した。これらの量子化学計算には、Ｇａｕｓｓｉａｎ社のＧａｕｓｓｉａｎ（登録商標）１６プログラムパッケージを使用した。
＜分子動力学計算を実施する工程＞
　分子動力学計算を実施する工程は、保護層モデルの上に潤滑剤分子モデルを配置し、潤滑層初期モデルを構築する準備計算（以下、潤滑剤塗布シミュレーション、と記す。）と、構築した潤滑層初期モデルから実際の潤滑層の動きを追跡する本計算（以下、潤滑層シミュレーション、と記す。）の二工程からなる。
［潤滑剤塗布シミュレーション］
　上記のようにして作成した構造と各原子の電荷の情報を含む潤滑剤分子モデル及び保護層モデルを使用し、潤滑層シミュレーションの初期構造となる潤滑層初期モデルを構築した。室温（３００Ｋ）において潤滑層が保護層を被覆した状態を再現するため、本実施例では、潤滑剤塗布シミュレーションを実施した。
　潤滑剤塗布シミュレーションの条件として、次のように設定した。分子力場としてＧＡＦＦ力場を使用し、量子化学計算の結果と合致するように保護層と潤滑層の間のＬｅｎｎａｒｄ－Ｊｏｎｅｓポテンシャルの深さパラメータの値を１／２倍にスケールした（εのパラメータを元の１／２倍にした）。また、Ｌｅｎｎａｒｄ－Ｊｏｎｅｓ相互作用には、カットオフ法を用いた。カットオフ距離は、相互作用が無視できると見なせる１２Åとした。温度制御法として、速度スケーリング法を用いて、粒子数（Ｎ）と体積（Ｖ）と温度（Ｔ）を一定にしたＮＶＴアンサンブルによるシミュレーションを行った。分子動力学計算は、フリーソフトウェアであるＯＣＴＡのＣＯＧＮＡＣエンジンを使用した。
　図２（ａ）～図２（ｄ）は、潤滑剤の塗布シミュレーションを説明するための模式図である。図２（ａ）～図２（ｄ）において、符号１ａは潤滑剤分子を示し、符号１ｂは潤滑層を示し、符号２０は保護層を示している。
　まず、図２（ａ）に示すように、９６Å×８４Å×１５０Åの周期境界セル中に量子化学計算によって安定化された保護層の単位構造を敷き詰めて配置し、保護層２０とした。保護層はシミュレーション中に原子位置が変化しないものとし、その原子位置を固定した。
　次いで、図２（ｂ）に示すように、保護層２０の表面上方にランダムに潤滑剤分子１ａを配置した。実験では、９Å程度の薄い膜厚の潤滑層を作成し、物性値を測定している。その物性値と比較するため、潤滑剤分子１ａの分子数は、潤滑層１ｂを形成したとき、室温での熱平衡状態における膜厚が９Å前後となるように調整した。
　そして、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すように、潤滑剤分子１ａの末端に配置された水素原子に下向きの力を印加し、３００Ｋの常温条件下で分子動力学計算を実行することで潤滑剤分子１ａを下降させ、保護層２０の表面に潤滑層１ｂを形成し、潤滑層初期モデルとした。ここで、図２（ｃ）は計算途中の構造であり、図２（ｄ）は３０ｐｓの計算後の潤滑層１ｂの構造である。
＜分子動力学計算（潤滑層シミュレーション）の実施＞
　潤滑剤シミュレーションでは、分子力場としてＧＡＦＦ力場を使用し、量子化学計算の結果と合致するように保護層と潤滑層の間のＬｅｎｎａｒｄ－Ｊｏｎｅｓポテンシャルの深さパラメータの値を１／２倍にスケールした（εのパラメータを元の１／２倍にした）。また、Ｌｅｎｎａｒｄ－Ｊｏｎｅｓ相互作用には、カットオフ法を用いた。カットオフ距離は、相互作用が無視できると見なせる１２Åとした。長距離クーロン相互作用の計算には、Ｐａｒｔｉｃｌｅ－Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ－Ｍｅｓｈ　Ｅｗａｌｄ法を使用した。温度制御法として、速度スケーリング法を用いて、粒子数（Ｎ）と体積（Ｖ）と温度（Ｔ）を一定にしたＮＶＴアンサンブルによるシミュレーションを行った。分子動力学計算は、フリーソフトウェアであるＬＡＭＭＰＳを使用した。
　潤滑層シミュレーションでは、３００Ｋにおける熱平衡状態での潤滑層の構造、及びその挙動を再現し、解析した。
　短い時間で熱平衡室温に到達させるため、まずは４００Ｋの高温条件下で６ｎｓ間のシミュレーションを実施し、次いで、１ｎｓかけて４００Ｋから３００Ｋまで徐々に温度を下げるシミュレーションを実施した。その後、室温における潤滑層の構造を再現し、その挙動を追跡するため、３００Ｋの温度条件下で６ｎｓ間のシミュレーションを実施した。なお、表１に示す潤滑剤分子のそれぞれのシミュレーションにおいて、３ｎｓ程度で十分に熱平衡状態に達することを確認した。
　＜各性能の指標の算出＞
　潤滑層の吸着度合いの指標と潤滑度合いの指標を算出した。
［吸着度合いの指標の算出］
　前述した方法により、潤滑層の吸着度合いの指標Ｎａｂｓを算出した。
　ここで、「十分近づいている状態」の保護層と吸着基との距離は、水酸基では２Å以下、アミノ基及びニトリル基では３Å以下と設定した。
［潤滑度合いの指標の算出］
　実施形態に示す通り、潤滑剤分子の自己拡散係数を算出し、潤滑度合いの指標とした。自己拡散係数の算出には、３００Ｋでの６ｎｓ間のシミュレーションにおける潤滑剤分子の変位を利用した。
　計算した潤滑層の構造と、その吸着度合いの指標（Ｎａｂｓ）と潤滑度合いの指標（自己拡散係数）との計算結果を表１に示す。ここで、シミュレーションＮｏ．４は、吸着性の基準となる潤滑剤分子である。Ｎｏ．４より大きいＮａｂｓの潤滑剤分子がより吸着性に優れる潤滑層を構成することができる潤滑剤分子である。シミュレーションＮｏ．３は、潤滑性の基準となる潤滑剤分子である。Ｎｏ．３より大きい自己拡散係数をもつ潤滑剤分子がより潤滑性に優れる潤滑層を作ることができる潤滑剤分子である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　また、Ｎａｂｓと自己拡散係数との両方を併せて示した散布図を、図３に示す。縦軸をＮａｂｓとし、基準となるＮｏ．４の結果を水平な破線で示してある。横軸を自己拡散係数とし、基準となるＮｏ．３の結果を垂直な破線で示してある。
　以上のシミュレーション結果から、例えば、Ｎｏ．１５の潤滑剤を使用して作製した潤滑層は吸着性にすぐれた性能を持ち、Ｎｏ．９の潤滑剤を使用して作製した潤滑層は潤滑性にすぐれた性能をもつと予測できる。また、Ｎａｂｓ、自己拡散係数ともに基準値を上回るＮｏ．７は、両性能ともに優れる潤滑層を形成できると予測できる。
　上記潤滑剤分子を使用した潤滑層を含む磁気記録媒体について、従来公知の方法で浮上性試験と、潤滑性試験と、を実施した。その結果を表２に示す。なお、表２中の実験Ｎｏ．と表１中のシミュレーションＮｏ．が同じ数字のものは、同一の潤滑剤分子を使用した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　また、計算結果と、それに対応する実験での評価値と、を比較した散布図を図４及び図５に示す。
　図４に浮上性試験の評価値とシミュレーションで算出したＮａｂｓとの関係を示す。図４において、線形回帰式を求めたところ、その決定係数Ｒ２は、約０．６７２８であったため、浮上性とＮａｂｓの間に十分な相関があり、Ｎａｂｓを用いて浮上性の優劣を判断できることが確認できた。
　図５に潤滑性試験の評価値とシミュレーションで算出した自己拡散係数との関係を示す。図５において、線形回帰式を求めたところ、その決定係数Ｒ２は、約０．８０７１であったため、潤滑性と自己拡散係数の間に十分な相関があり、自己拡散係数を用いて潤滑性の優劣を判断できることが確認できた。
　以上から、シミュレーション結果から十分な信頼性をもって潤滑層の浮上特性及び潤滑性の優劣を予測できることが確認できた。
　以上の通り、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更等を行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、本発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　本出願は、２０２０年１０月１６日に日本国特許庁に出願した特願２０２０－１７４６０２号に基づく優先権を主張するものであり、特願２０２０－１７４６０２号の全内容を本出願に援用する。
　潤滑層の性能評価方法は、磁気記録媒体等に用いられる、潤滑層の性能を評価する方法として好適に用いることができる。
　３０　窒素原子
　３１　炭素原子
　１ａ　潤滑剤分子
　１ｂ　潤滑層
　２０　保護層

Claims (4)

  1. 　潤滑剤分子モデルと保護層モデルとを、量子化学計算を用いて準備する工程と、
    　前記潤滑剤分子モデルと前記保護層モデルから構築した潤滑層初期モデルの分子動力学計算を実施する工程と、
    　前記分子動力学計算の結果から潤滑剤分子の保護層への吸着度合いの指標を算出する工程と、
    を含む潤滑層の性能評価方法。
  2. 　潤滑剤分子モデルと保護層モデルとを、量子化学計算を用いて準備する工程と、
    　前記潤滑剤分子モデルと前記保護層モデルから構築した潤滑層初期モデルの分子動力学計算を実施する工程と、
    　前記分子動力学計算の結果から潤滑剤分子の保護層上での潤滑度合いの指標を算出する工程と、
    を含む潤滑層の性能評価方法。
  3. 　請求項１で算出された前記吸着度合いの指標と、請求項２で算出された前記潤滑度合いの指標との２つの指標に基づいて、潤滑層の性能を評価する潤滑層の性能評価方法。
  4. 　前記保護層が、磁気記録媒体表面に形成された保護層であり、
    　前記潤滑剤分子が、磁気記録媒体用の潤滑剤分子である、請求項１～３の何れか一項に記載の潤滑層の性能評価方法。
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