Ny forskning kaster lys over naturen af ​​friktion i flerlagsgrafen

Grafen, som består af et enkelt lag af kulstofatomer, er plakatbarnet af kulstofbaserede 2D nanomaterialer. Det har mange attraktive egenskaber, der kunne udnyttes inden for næste generations elektronik, optik, katalyse, biomedicin og mange andre områder. For nylig har mange forskere fokuseret på kemisk dampaflejring (CVD) som en omkostningseffektiv teknik til at producere større grafenoverflader i stedet for den veletablerede metode til mekanisk eksfoliering, som kun kan producere små grafenøer.

CVD-grafen indeholder dog et stort antal overfladestrukturer og defekter, herunder rynker, krystalkorngrænser og overfladeforurening. Fordi grafen er så tynd, kan selv mindre overfladeuregelmæssigheder i høj grad påvirke dets egenskaber, hvilket gør dets overflade-egenskabsforhold til et vigtigt forskningsområde. Mens undersøgelser om dette emne er blevet udført omfattende for enkeltlags CVD-grafen, har få fokuseret på, hvordan overfladestrukturer påvirker friktionsegenskaberne i nanoskala af flerlags CVD-grafen.

For nylig har et team af forskere fra Pusan ​​National University, Korea, ledet af adjunkt Songkil Kim tacklet denne videnskløft. "Det er virkelig vigtigt at korrelere overfladeegenskaber med et materiales egenskaber," forklarer Dr. Kim, "Forestil dig, at du stabler papirer, og der er en enorm trykbelastning over disse papirer. Dette kan forårsage massive strukturelle deformationer i de stablede lag og overfladen. På samme måde kan de strukturelle ændringer, der forekommer i flerlagsgrafen, påvirke dets overfladeegenskaber, såsom dets friktion, hvilket er det, vi fokuserede på." Deres papir blev gjort tilgængeligt online den 24. januar 2022 og udgivet i bind 584 af Applied Surface Science den 15. maj 2022.

Holdet brugte først den atomstore spids af et atomkraftmikroskop (AFM) til at ridse overfladen af ​​CVD flerlagsgrafen og rense eventuelle polymerrester af. Derefter brugte de AFM-billeddannelse, friktionskraftmikroskopi og Raman-spektroskopi til at identificere og studere forskellige overfladestrukturer, og hvordan de påvirker friktion på nanoskala. Interessant nok fandt de ud af, at kun det øverste lag af grafen var snoet i forhold til resten, hvilket påvirkede den lagafhængige nanoskalafriktion på en måde, der varierede i henhold til den påførte belastning.

Samlet set kunne denne undersøgelses resultater bane vejen for interessante mekaniske anvendelser for CVD-grafen. "Graphene og lignende materialer kan bruges som faste smøremidler," kommenterer Dr. Kim, "Mens flydende smøremidler som motorolier ikke er egnede til barske miljøer såsom det ydre rum eller de polære områder, gør grafenens fremragende robusthed og friktionsegenskaber det et attraktivt, giftfrit alternativ."

Interessant nok har udvikling af højtydende smøremidler miljømæssige fordele, da reduktion af friktionen er afgørende for at forhindre energitab i mekaniske systemer. En anden potentiel anvendelse for flerlags CVD-grafen er i mikro/nano-enheder, hvor en præcis kontrol af friktionen er nødvendig. + Udforsk yderligere

2D-materiale i tre dimensioner