På nanoskala, grafit kan vende op og ned på friktionen

(Phys.org)—Hvis du slapper af med en blyant, glider det lettere? Jo da. Men måske ikke, hvis spidsen er slebet ned til nanomål. Et team af forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har opdaget, at hvis grafit (materialet i blyant "bly") er klæbrigt nok, målt med en nanoskala sonde, det bliver faktisk sværere at skubbe en spids hen over materialets overflade, når du mindsker trykket – det stik modsatte af vores hverdagsoplevelse.

Teknisk set, dette fører til en effektivt "negativ friktionskoefficient, "noget, der ikke tidligere er set, ifølge teamleder Rachel Cannara. grafit, Cannara forklarer, er en af ​​en særlig klasse af faste stoffer kaldet "lamellære" materialer, som er dannet af stakke af todimensionelle ark af atomer. Arkene er grafen, et enkelt-atom-tykt plan af carbonatomer, der er arrangeret i et sekskantet mønster. Grafen har en række eksotiske elektriske og materielle egenskaber, der gør det attraktivt for mikro- og nanoelektromekaniske systemer med applikationer lige fra gassensorer og accelerometre til resonatorer og optiske kontakter.

Zhao Deng, en postdoc-forsker ved University of Maryland ved NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, bemærkede nogle mærkelige data, mens de eksperimenterede på grafit med et atomkraftmikroskop (AFM). Deng målte friktionskræfterne på nanoskalaspidsen af ​​en AFM, der sporede hen over grafitten, da han modificerede overfladens "klæbrighed" ved at lade små mængder ilt adsorbere til det øverste grafenlag.

Teoretiske simuleringer af friktion mellem grafit og AFM-sonde:

Deng fandt ud af, at når klæbekraften mellem grafenen og pennen blev større end grafenlagets tiltrækning til grafitten nedenfor, at reducere trykket på pennen gjorde det sværere at trække spidsen hen over overfladen - en negativ differentialfriktion.

Bakket op af teoretiske simuleringer udført af samarbejdspartnere fra NIST og Tsinghua University i Beijing, Cannaras team fandt ud af, at efter at AFM-spidsen er blevet presset ind i grafitoverfladen, hvis tiltrækningskraften er høj nok, spidsen kan trække et lille lokaliseret område af overfladelaget af grafen væk fra bulkmaterialet, som at hæve en boble i nanoskala fra overfladen. At skubbe den deformation rundt kræver mere arbejde end at glide over en flad overflade. Derfor, hver gang forskerne pressede AFM-spidsen mod den klæbrige grafitoverflade og derefter forsøgte at trække de to fra hinanden, de målte en stigning i friktionskraften med en følsomhed på titusvis af piconewtons.

"Når vi har en komplet model, der beskriver, hvordan disse grafenplader deformeres under gentagen belastning og glidning på nanoskalaen - som vi arbejder på nu - kan friktionskraftmikroskopi være den mest direkte måde at måle den energi, der binder disse lagdelte materialer sammen. Og, da det er ikke-destruktivt, målingen kan udføres på fungerende enheder, " siger Cannara. At forstå, hvordan arkene interagerer med hinanden og med andre dele af en enhed, ville hjælpe med at kvantificere den energi, der kræves for at producere individuelle ark fra bulkmateriale, vurdere enhedens funktion, og hjælpe med at formulere nye strukturer baseret på lagdelte materialer, hun siger.