Nanoteknologer afslører friktionsegenskaberne ved atomisk tynde plader (m/ video)

Et hold af nanoteknologiforskere fra University of Pennsylvania og Columbia University har brugt friktionskraftmikroskopi til at bestemme friktionsegenskaberne i nanoskala af fire atomisk tynde materialer, opdage en universel egenskab for disse meget forskellige materialer. Friktion på tværs af disse tynde plader stiger, efterhånden som antallet af atomlag falder, helt ned til ét lag af atomer. Denne friktionsstigning var overraskende, da der tidligere ikke var nogen teori til at forudsige denne adfærd.

Fundet afslører et væsentligt princip for disse materialer, som er meget udbredt som faste smørefilm i kritiske tekniske applikationer og er førende konkurrenter til fremtidens nanoskalaelektronik.

Forskere fandt ud af, at friktionen steg gradvist, efterhånden som antallet af lag reduceres på alle fire materialer, uanset hvor forskellige materialerne kan opføre sig kemisk, elektronisk eller i store mængder. Disse målinger, understøttet af computermodellering, tyder på, at tendensen skyldes, at jo tyndere et materiale er, jo mere fleksibelt er det, ligesom et enkelt ark papir er meget nemmere at bukke end et tykt stykke pap.

Robert Carpick, professor ved Institut for Mekanisk Teknik og Anvendt Mekanik i Penn, og James Hone, professor ved Institut for Mekanisk Teknik i Columbia, ledet projektet i fællesskab.

Holdet testede det nanoribologiske, eller friktionsegenskaber på nanoskala, af grafen, molybdændisulfid (MoS ₂ ), hexagonal-BN (h-BN) og niobiumdiselenid (NbSe ₂ ) ned til enkelte atomark. Holdet barberede bogstaveligt talt mængder af hvert materiale af på atomare skala på et siliciumoxidsubstrat og sammenlignede deres resultater med bulk-modstykkerne. Hvert materiale udviste den samme grundlæggende friktionsadfærd på trods af de elektroniske egenskaber, der varierer fra metallisk til halvledende til isolerende.

"Vi kalder denne mekanisme, hvilket fører til højere friktion på tyndere plader, "rynende effekt", '" sagde Carpick. "Interatomiske kræfter, som van der Waals-styrken, forårsage tiltrækning mellem atomarket og nanoskalaspidsen af ​​atomkraftmikroskopet, som måler friktion på nanometerskalaen."

Fordi arket er så tyndt - i nogle prøver kun et atom tykt - bøjer det sig mod spidsen, at lave en rynket form og øge interaktionsområdet mellem spidsen og arket, hvilket øger friktionen. Når spidsen begynder at glide, arket deformeres yderligere, når det deformerede område trækkes delvist sammen med spidsen, krusning af forkanten af ​​kontaktområdet. Tykkere plader kan ikke bøje sig så let, fordi de er meget stivere, så stigningen i friktion er mindre udtalt.

Forskerne fandt ud af, at stigningen i friktion kunne forhindres, hvis atompladerne var stærkt bundet til underlaget. Hvis materialerne blev deponeret på lejligheden, højenergi overflade af glimmer, et naturligt forekommende mineral, effekten forsvinder. Friktionen forbliver den samme uanset antallet af lag, fordi arkene sidder stærkt fast på glimmeren, og der kan ikke forekomme rynker.

"Nanoteknologi undersøger, hvordan materialer opfører sig anderledes, når de krymper til nanometerskalaen, " sagde Hone. "På et grundlæggende niveau, det er spændende at finde endnu en egenskab, der fundamentalt ændrer sig i takt med, at et materiale bliver mindre."

Resultaterne kan også have praktiske implikationer for design af nanomekaniske enheder, der bruger grafen, som er et af de stærkeste materialer man kender. Det kan også hjælpe forskere med at forstå den makroskopiske adfærd af grafit, MoS ₂ og BN, som bruges som almindelige smøremidler for at reducere friktion og slid i maskiner og enheder.