At glide på fleksible grafenoverflader har været ukendt territorium indtil nu

grafen, en todimensionel form for kulstof i plader med kun et atom i tykt, har været genstand for omfattende forskning, i høj grad på grund af sin unikke kombination af styrke, elektrisk ledningsevne, og kemisk stabilitet. Men trods mange års studier, nogle af grafens grundlæggende egenskaber er stadig ikke velforståede, herunder den måde, den opfører sig på, når noget glider langs dens overflade.

Nu, ved hjælp af kraftfulde computersimuleringer, forskere ved MIT og andre steder har gjort betydelige fremskridt med at forstå denne proces, herunder hvorfor friktionen varierer, når den genstand, der glider på den, bevæger sig fremad, i stedet for at forblive konstant, som det gør med de fleste andre kendte materialer.

Resultaterne præsenteres i denne uge i tidsskriftet Natur , i et papir af Ju Li, professor i nuklear videnskab og teknik og i materialevidenskab og teknik ved MIT, og syv andre på MIT, University of Pennsylvania, og universiteter i Kina og Tyskland.

grafit, et bulkmateriale sammensat af mange lag af grafen, er et velkendt fast smøremiddel. (Med andre ord, som olie, det kan tilføjes mellem kontakt med materialer for at reducere friktionen.) Nyere forskning tyder på, at selv et eller få lag grafen også kan give effektiv smøring. Dette kan bruges i små termiske og elektriske kontakter og andre enheder i nanoskala. I sådanne tilfælde, en forståelse af friktionen mellem to stykker grafen, eller mellem grafen og et andet materiale, er vigtigt for at vedligeholde en god elektrisk, termisk, og mekanisk forbindelse. Forskere havde tidligere fundet ud af, at mens et lag grafen på en overflade reducerer friktionen, at have et par flere var endnu bedre. Imidlertid, årsagen til dette var ikke godt forklaret før, siger Li.

"Der er denne brede forestilling i tribologi, at friktion afhænger af det sande kontaktområde, "Li siger - det vil sige, det område, hvor to materialer virkelig er i kontakt, ned til atomniveau. Det "sande" kontaktareal er ofte væsentligt mindre, end det ellers ville se ud til at være, hvis det observeres i større skalaer. At bestemme det sande kontaktområde er vigtigt for at forstå ikke kun graden af ​​friktion mellem stykkerne, men også andre karakteristika såsom elektrisk ledning eller varmeoverførsel.

For eksempel, forklarer medforfatter Robert Carpick fra University of Pennsylvania, "Når to dele i en maskine kommer i kontakt, som to tænder af stålgear, den faktiske mængde stål i kontakt er meget mindre end det ser ud til, fordi tandhjulets tænder er ru, og kontakt opstår kun ved de øverste fremspringende punkter på overfladerne. Hvis overfladerne blev poleret for at være fladere, så dobbelt så meget område var i kontakt, friktionen ville da være dobbelt så høj. Med andre ord, friktionskraften fordobles, hvis det sande areal af direkte kontakt fordobles."

Men det viser sig, at situationen er endnu mere kompleks, end forskerne havde troet. Li og hans kolleger fandt ud af, at der også er andre aspekter af kontakten, der påvirker, hvordan friktionskraften overføres hen over den. "Vi kalder dette kvaliteten af ​​kontakt, i modsætning til mængden af ​​kontakt målt ved det "sande kontakt" område, " forklarer Li.

Eksperimentelle observationer havde vist, at når et objekt i nanoskala glider langs et enkelt lag grafen, friktionskraften stiger faktisk i starten, før den til sidst udjævnes. Denne effekt mindskes, og den udjævnede friktionskraft falder, når den glider på flere og flere grafenplader. Dette fænomen blev også set i andre lagdelte materialer, herunder molybdændisulfid. Tidligere forsøg på at forklare denne variation i friktion, ikke set i andet end disse todimensionelle materialer, var kommet til kort.

For at bestemme kvaliteten af ​​kontakt, det er nødvendigt at kende den nøjagtige position af hvert atom på hver af de to overflader. Kvaliteten af ​​kontakt afhænger af, hvor godt de atomare konfigurationer er på linje med de to overflader i kontakt, og på synkroniseringen af ​​disse justeringer. Ifølge computersimuleringerne, disse faktorer viste sig at være vigtigere end det traditionelle mål for at forklare materialernes friktionsadfærd, ifølge Li.

"Du kan ikke forklare stigningen i friktion", da materialet begynder at glide "kun ved kontaktområdet, " Li siger. "Det meste af ændringen i friktion skyldes faktisk ændring i kvaliteten af ​​kontakt, ikke det sande kontaktområde." Forskerne fandt ud af, at glidehandlingen får grafenatomer til at skabe bedre kontakt med objektet, der glider langs det; denne stigning i kontaktkvaliteten fører til stigningen i friktion, efterhånden som glidningen fortsætter og til sidst udjævnes. Effekten er stærk for et enkelt lag grafen, fordi grafenen er så fleksibel, at atomerne kan flytte til steder med bedre kontakt med spidsen.

En række faktorer kan påvirke kvaliteten af ​​kontakten, inklusive stivhed af overflader, små krumninger, og gasmolekyler, der kommer ind mellem de to faste lag, siger Li. Men ved at forstå, hvordan processen fungerer, ingeniører kan nu tage specifikke skridt for at ændre den friktionsadfærd, så den matcher en bestemt tilsigtet anvendelse af materialet. For eksempel, "prewrinkling" af grafenmaterialet kan give det mere fleksibilitet og forbedre kontaktkvaliteten. "Vi kan bruge det til at variere friktionen med en faktor på tre, mens det sande kontaktområde næsten ikke ændres, " han siger.

"Med andre ord, det er ikke kun selve materialet", der bestemmer, hvordan det glider, men også dens grænsetilstand – herunder om den er løs og rynket eller flad og stram, han siger. Og disse principper gælder ikke kun for grafen, men også for andre todimensionelle materialer, såsom molybdændisulfid, bornitrid, eller andre enkelt-atom eller enkelt-molekyle-tykke materialer.

"Potentielt, en bevægelig mekanisk kontakt kunne bruges som en måde at lave meget gode strømafbrydere i små elektroniske enheder, " siger Li. Men det er stadig et stykke vej væk; mens grafen er et lovende materiale, der studeres bredt, "vi venter stadig på at se grafenelektronik og 2-D elektronik tage fart. Det er et felt i vækst."