Forskere tuner dynamisk friktion i grafen

Friktionen på en grafenoverflade kan indstilles dynamisk ved hjælp af eksterne elektriske felter, ifølge forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign ledet af professor Rosa Espinosa-Marzal fra Institut for Civil- og Miljøteknik. Arbejdet er detaljeret beskrevet i papiret "Dynamisk tuning friction at the graphene interface using the field effect," offentliggjort 19. september 2023 i tidsskriftet Nature Communications .

Friktion spiller en nøglerolle i både naturlige og konstruerede systemer, hvilket blandt andet dikterer opførselen af ​​glidende kontakter, påvirker slid på materialer og påvirker væskestrømmen på tværs af overflader. Friktion kan styres passivt gennem valg af designkomponenter, for eksempel materiale og ruhed.

En nyere tendens har imidlertid været at undersøge systemer, hvis friktionsrespons kan indstilles dynamisk in situ, især efterhånden som mikro- og nanoskalaenheder bliver mere almindelige. En af de mere lovende veje til at opnå friktionskontrol er med eksterne elektriske felter, der kan modulere egenskaberne af smøremidler og materialeoverflader samt interaktionerne mellem dem.

"Nye tilgange til design af interagerende overflader er nødvendige for at komme forbi den nyeste teknologi," skriver forskerne, "og 2D-materialer er et nyt og fremragende valg baseret på deres høje mekaniske styrke og kemiske og termiske stabilitet."

Grafen er 2D-formen for kulstof og bliver nogle gange hyldet som et "vidundermateriale" på grund af dets unikke og superlative egenskaber. Overflader belagt i grafenfilm udviser generelt meget lav friktion, men de nye resultater viser, at friktion på grafenbelagte overflader kan "tændes" ved at udsætte overfladen for et elektrisk felt under de rette forhold. Systemet kan derefter styres i denne højere friktionstilstand, før det skiftes tilbage til lavere friktion, alt sammen uden at påføre store elektriske forspændinger mellem overfladerne i kontakt.

"Arbejdet vil have stor betydning for at reducere energiforbruget i nano- og mikro-elektromekaniske systemer, ud over at tillade dynamisk kontrol af friktion, samtidig med at det mindsker øget slid og korrosion af glideoverflader, når direkte forspænding påføres," sagde Espinosa-Marzal.

Flere oplysninger: Gus Greenwood et al., Dynamisk tuning af friktion ved grafengrænsefladen ved hjælp af felteffekten, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41375-7

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering