Ingeniører fremmer forståelsen af ​​grafeners friktionsegenskaber

(Phys.org) – Et tværfagligt team af ingeniører fra University of Pennsylvania har gjort en opdagelse angående overfladeegenskaberne af grafen, det nobelprisvindende materiale, der består af en atomart tynd plade af kulstofatomer.

På makroskalaen, tilsætning af fluoratomer til kulstofbaserede materialer gør det vandafvisende, non-stick overflader, såsom teflon. Imidlertid, på nanoskalaen, tilsætning af fluor til grafen var blevet rapporteret at øge friktionen, der opleves, når man glider mod materialet.

Gennem en kombination af fysiske eksperimenter og atomistiske simuleringer, Penn-teamet har opdaget mekanismen bag dette overraskende fund, som kunne hjælpe forskere med bedre at designe og kontrollere overfladeegenskaberne af nye materialer.

Forskningen blev ledet af postdoc-forsker Qunyang Li, kandidatstuderende Xin-Zhou Liu og Robert Carpick, professor og formand for Institut for Mekanik og Anvendt Mekanik i Penns School of Engineering and Applied Science. De samarbejdede med Vivek Shenoy, professor ved Institut for Materialevidenskab og Teknik. Penn-kontingentet arbejdede også med forskere fra Naval Research Laboratory og Brown University.

Værket blev udgivet i Nano bogstaver .

Udover dets anvendelser i kredsløb og sensorer, grafen er af interesse som en superstærk belægning. Efterhånden som komponenter i mekaniske og elektriske systemer bliver mindre, de er mere og mere modtagelige for slid. Består af færre atomer end deres modstykker i makroskala, hvert atom er så meget vigtigere for komponentens overordnede struktur og funktion.

"En af de største fejlmekanismer for disse små enheder er friktion og vedhæftning, " sagde Liu. "Fordi grafen er så stærk, tynd og glat, en af ​​dens potentielle anvendelser er at reducere friktionen og øge levetiden for disse enheder. Vi ønskede bedre at forstå de grundlæggende mekanismer for, hvordan tilføjelsen af ​​andre atomer påvirker friktionen af ​​grafen."

Tilføjelsen af ​​fluoratomer til grafens kulstofgitter giver en spændende kombination, når det kommer til disse egenskaber.

"Generelt sagt, " sagde Carpick, "fluor gør overflader mere vandafvisende og non-stick. Gore-Tex og Teflon, for eksempel, får deres egenskaber fra fluor. Teflon er en fluoreret carbonpolymer, så vi troede, at fluoreret grafen kunne være som todimensionel teflon."

For at teste friktionsegenskaberne af dette materiale, Penn-forskerne samarbejdede med Paul Sheehan og Jeremy Robinson fra Naval Research Laboratory. Sheehan og Robinson var de første til at opdage fluoreret grafen og er eksperter i at fremstille prøver af materialet til specifikation.

"Det betød, at vi systematisk var i stand til at variere graden af ​​fluorering i vores grafenprøver og kvantificere det præcist, " sagde Liu. "Det lod os lave nøjagtige sammenligninger, da vi testede friktionen af ​​disse forskellige prøver med et atomkraftmikroskop, et ultra-følsomt instrument, der kan måle nanonewton-kræfter."

Forskerne var overraskede over at opdage, at tilsætning af fluor til grafen øgede materialets friktion, men kunne ikke umiddelbart forklare den ansvarlige mekanisme. En anden gruppe forskere havde samtidig gjort samme observation; de viste også, at tilsætning af fluor øgede stivheden af ​​grafenprøverne og antog, at dette var ansvarligt for den øgede friktion.

Penn-forskerne, imidlertid, troede, at en anden mekanisme må være på arbejde. De henvendte sig til Shenoy, hvis ekspertise er i at udvikle simuleringer af mekanisk påvirkning i atomskala, for at hjælpe med at forklare, hvad tilsætningen af ​​fluor gjorde ved grafenens overflade.

"Vi har ikke et mikroskop, der kan visualisere, hvad der sker i denne lille skala, "Shenoy sagde, "men der er få nok atomer til, at vi kan modellere, hvordan de opfører sig med en høj grad af nøjagtighed."

"Det viser sig, at ved at tilsætte fluor, " Liu sagde, "vi ændrer grafenens energikorrugeringslandskab. Vi introducerer i det væsentlige elektronisk ruhed, som på nanoskala, kan virke som fysisk ruhed ved at øge friktion."

I fluoreret grafen, fluoratomerne stikker op af carbonatomernes plan, men de fysiske ændringer i højden blegnede i forhold til ændringerne i lokal energi, som hvert fluoratom producerede.

"På nanoskalaen, " sagde Carpick, "friktion er ikke kun bestemt af atomernes placering, men også hvor meget energi der er i deres bindinger. Hvert fluoratom har så meget elektronisk ladning, at du får høje toppe og dybe dale imellem dem, sammenlignet med det glatte plan af almindelig grafen. Man kan sige, at det er som at prøve at glide over en glat vej i forhold til en ujævn vej."

Ud over implikationen for grafens belægningsapplikationer, holdets resultater giver grundlæggende indsigt i grafens overfladeegenskaber.

"Hvert materiale interagerer med verden gennem dets overflade, " sagde Carpick, "så forstå og manipulere overfladeegenskaber - friktion, vedhæftning, interaktion med vand, katalyse - er store, igangværende områder af videnskabelig forskning. At se, at fluor øger friktionen i grafen, er ikke nødvendigvis en dårlig ting, da det kan give os en måde at skræddersy denne ejendom til en given applikation. Det vil også hjælpe os med at forstå, hvordan tilføjelsen af ​​andre elementer, som brint eller oxygen, kan påvirke disse egenskaber."