Magneten:Grafenlignende 2D-materiale udnytter kvanteeffekter for at opnå ultra-lav friktion

Et team af forskere fra University of Toronto Engineering og Rice University har rapporteret de første målinger af ultra-lavfriktionsadfærden af ​​et materiale kendt som magneten. Resultaterne viser vejen mod strategier til at designe lignende lavfriktionsmaterialer til brug på en række forskellige områder, herunder små, implanterbare enheder.

Magneten er et 2D-materiale, hvilket betyder, at det er sammensat af et enkelt lag af atomer. I denne henseende ligner det grafen, et materiale, der er blevet undersøgt intensivt for dets usædvanlige egenskaber – inklusive ultralav friktion – siden dets opdagelse i 2004.

"De fleste 2D-materialer er dannet som flade plader," siger ph.d. kandidat Peter Serles, som er hovedforfatter af det nye papir, der er offentliggjort i dag i Science Advances .

"Teorien var, at disse ark af grafen udviser lav friktionsadfærd, fordi de kun er meget svagt bundet, og glider virkelig let forbi hinanden. Du kan forestille dig det som at vifte et sæt spillekort ud:det kræver ikke mange kræfter at spred bunken ud, fordi friktionen mellem kortene er virkelig lav."

Holdet, som omfatter professorerne Tobin Filleter og Chandra Veer Singh, Post-Doc Shwetank Yadav og flere nuværende og dimitterede studerende fra deres laboratoriegrupper, ønskede at teste denne teori ved at sammenligne grafen med andre 2D-materialer.

Mens grafen er lavet af kulstof, er magneten lavet af magnetit, en form for jernoxid, som normalt eksisterer som et 3D-gitter. Holdets samarbejdspartnere ved Rice University behandlede 3D-magnetit ved hjælp af højfrekvente lydbølger for omhyggeligt at adskille et lag, der kun består af nogle få ark 2D-magneten.

University of Toronto Engineering-teamet satte derefter magnetpladerne i et atomkraftmikroskop. I denne enhed trækkes en sonde med skarp spids hen over toppen af ​​magnetpladen for at måle friktionen. Processen kan sammenlignes med, hvordan pennen på en pladespiller bliver trukket hen over overfladen af ​​en vinylplade.

"Båndene mellem lagene af magneten er meget stærkere, end de ville være mellem en stak grafenplader," siger Serles. "De glider ikke forbi hinanden. Det, der overraskede os, var friktionen mellem spidsen af ​​sonden og den øverste skive af magneten:den var lige så lav, som den er i grafen."

Indtil nu har videnskabsmænd tilskrevet den lave friktion af grafen og andre 2D-materialer til teorien om, at arkene kan glide, fordi de kun er bundet af svage kræfter kendt som Van der Waals-kræfter. Men magnetens lavfriktionsadfærd, som ikke udviser disse kræfter på grund af dets struktur, tyder på, at der foregår noget andet.

"Når man går fra et 3D-materiale til et 2D-materiale, begynder der at ske en masse usædvanlige ting på grund af kvantefysikkens virkninger," siger Serles. "Afhængigt af hvilken vinkel du skærer skiven, kan den være meget glat eller meget ru. Atomerne er ikke længere så begrænsede i den tredje dimension, så de kan vibrere på forskellige måder. Og elektronstrukturen ændrer sig også. Vi fandt ud af, at alle af disse tilsammen påvirker friktionen."

Holdet bekræftede rollen af ​​disse kvantefænomener ved at sammenligne deres eksperimentelle resultater med dem, der blev forudsagt af computersimuleringer. Yadav og Singh konstruerede matematiske modeller baseret på Density Functional Theory for at simulere opførselen af ​​sondespidsen, der glider over 2D-materialet. De modeller, der inkorporerede kvanteeffekterne, var de bedste forudsigere for de eksperimentelle observationer.

Serles siger, at det praktiske resultat af holdets resultater er, at de tilbyder ny information til videnskabsmænd og ingeniører, der bevidst ønsker at designe materialer med ultralav friktion. Sådanne stoffer kan være nyttige som smøremidler i forskellige små applikationer, herunder implanterbare enheder.

For eksempel kunne man forestille sig en lillebitte pumpe, der leverer en kontrolleret mængde af et givet lægemiddel til en bestemt del af kroppen. Andre slags mikro-elektromekaniske systemer kunne høste energien fra et bankende hjerte til at drive en sensor eller drive en lille robotmanipulator, der er i stand til at sortere en type celle fra en anden i en petriskål.

"Når du har at gøre med så små bevægelige dele, er forholdet mellem overfladeareal og masse virkelig højt," siger Filleter, tilsvarende forfatter på den nye undersøgelse. "Det betyder, at tingene er meget mere tilbøjelige til at sætte sig fast. Det, vi har vist i dette arbejde, er, at det netop er på grund af deres lille skala, at disse 2D-materialer har så lav friktion. Disse kvanteeffekter ville ikke gælde for større 3D-materialer ."

Serles siger, at disse skalaafhængige effekter, kombineret med det faktum, at jernoxid er ugiftigt og billigt, gør magneten meget attraktiv til brug i implanterbare mekaniske enheder. Men han tilføjer, at der er mere arbejde, der skal gøres, før kvanteadfærden er fuldt ud forstået.

"Vi har prøvet dette med andre typer jernbaserede 2D-materialer, såsom hæmaten eller chromiteen, og vi ser ikke de samme kvantesignaturer eller lav friktionsadfærd," siger han. "Så vi er nødt til at se på, hvorfor disse kvanteeffekter sker, hvilket kan hjælpe os med at være mere bevidste omkring designet af nye slags lavfriktionsmaterialer." + Udforsk yderligere

Modellering af friktionen mellem sider i en bog