Enkeltvæggede kulstof nanorør kan tjene som ideelle sonderingstip til at studere friktion, smøring og slid i mikroskalaen

At studere mikroskopiske vekselvirkninger ved enkelte ujævnheder er afgørende for forståelsen af ​​friktion og smøring på makroskalaen. Overfladesondeinstrumenter med carbon nanorørspidser kan muliggøre sådanne undersøgelser, som nu demonstreret i en teoretisk undersøgelse ledet af Ping Liu og Yong-Wei Zhang ved A*STAR Institute of High Performance Computing. Forskerne viste, at kort, enkeltvægget, lukkede kulstof nanorør er i stand til at fange friktionsegenskaberne af grafen med atomopløsning.

"For et ideelt sonderende tip, dens dimension skal være så lille som muligt, dens stivhed skal være så stor som muligt, dens geometri skal være veldefineret, og det skal være kemisk inert, ” forklarer Liu. Kombinationen af ​​sådanne egenskaber ville muliggøre overfladekarakterisering med atomopløsning, samtidig med at den sikrer en lang levetid og geometrisk, spidsens kemiske og fysiske stabilitet.

Kulstof nanorør, især korte, er af stor interesse på grund af deres iboende stærke carbon -carbon -bindinger, hvilket gør det muligt for dem at modstå knæk- og bøjningsdeformationer og genoprette deres oprindelige form efter deformation. Afskærmede rør giver igen forbedret kemisk stabilitet og stivhed i forhold til rør uden loft. Disse betragtninger indikerer, at kort, enkeltvæggede kulstofnanorør kan være ideelle billeddannelsessondespidser.

Da det endnu ikke er muligt at bruge sådanne tip i eksperimentelle opsætninger, for at teste denne hypotese udførte Liu og Zhang atomistiske simuleringer i stor skala med fokus på samspillet mellem sådanne nanorørsonderingsspidser og grafen (se billedet) - et kulstofmateriale, der er ideelt til overfladebelægningssmøring. "På grund af fremskridt i udviklingen af ​​nøjagtige atomare potentialer og massive parallelle computeralgoritmer, atomistiske simuleringer gør os ikke kun i stand til at bestemme sonderingsegenskaberne ved sådanne tips, men også for at undersøge friktions- og defektegenskaberne af grafen med atomopløsning, " siger Liu.

Simuleringerne kunne fange afhængigheden af ​​friktionen og gennemsnitlige normalkræfter på spids-til-overflade afstand og antallet af grafenlag. Forskerne analyserede og fortolkede de observerede egenskaber i form af forskellige typer glidende bevægelser af spidsen hen over overfladen, samt energidissipationsmekanismer mellem spidsen og de underliggende grafenlag. De kunne yderligere identificere klare signaturer, der adskiller bevægelsen af ​​en spids hen over en punktdefekt eller den såkaldte Stone-Thrower-Wales-defekt, som menes at være ansvarlig for nanoskala plasticitet og skør-duktil overgange i grafen carbon gitteret. "Vores simuleringer giver indsigt i friktion på nanoskala og kan give retningslinjer for, hvordan man kontrollerer den, ”Siger Liu.