Een team van nanotechnologie-onderzoekers van de University of Pennsylvania en Columbia University heeft wrijvingskrachtmicroscopie gebruikt om de wrijvingskenmerken op nanoschaal van vier atomair dunne materialen te bepalen. het ontdekken van een universeel kenmerk voor deze zeer verschillende materialen. Wrijving over deze dunne platen neemt toe naarmate het aantal atomaire lagen afneemt, helemaal tot aan één laag atomen. Deze wrijvingstoename was verrassend omdat er voorheen geen theorie was om dit gedrag te voorspellen.

De bevinding onthult een belangrijk principe voor deze materialen, die op grote schaal worden gebruikt als vaste smeerfilms in kritische technische toepassingen en toonaangevende kanshebbers zijn voor toekomstige elektronica op nanoschaal.

Onderzoekers ontdekten dat wrijving geleidelijk toenam naarmate het aantal lagen op alle vier de materialen werd verminderd, ongeacht hoe verschillend de materialen zich chemisch kunnen gedragen, elektronisch of in bulkhoeveelheden. Deze metingen, ondersteund door computermodellering, suggereren dat de trend voortkomt uit het feit dat hoe dunner een materiaal, hoe flexibeler het is, net zoals een enkel vel papier veel gemakkelijker te buigen is dan een dik stuk karton.

Robert Carpick, hoogleraar bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica van Penn, en James Hone, professor aan de afdeling Werktuigbouwkunde van Columbia, samen het project geleid.

Het team testte de nanotribologische, of wrijvingseigenschappen op nanoschaal, van grafeen, molybdeendisulfide (MoS ₂ ), hexagonaal-BN (h-BN) en niobiumdiselenide (NbSe ₂ ) tot enkele atoomplaten. Het team schoor letterlijk hoeveelheden van elk materiaal op atomaire schaal af op een siliciumoxidesubstraat en vergeleek hun bevindingen met de bulk-tegenhangers. Elk materiaal vertoonde hetzelfde basiswrijvingsgedrag ondanks elektronische eigenschappen die variëren van metallisch tot halfgeleidend tot isolerend.

"We noemen dit mechanisme, wat leidt tot hogere wrijving op dunnere platen het 'rimpeleffect, ' zei Carpick. 'Interatomaire krachten, zoals de van der Waals kracht, veroorzaken aantrekkingskracht tussen de atoomplaat en de nanoschaalpunt van de atoomkrachtmicroscoop die wrijving meet op nanometerschaal."

Omdat het vel zo dun is - in sommige monsters slechts een atoom dik - buigt het af naar de punt, het maken van een gebobbelde vorm en het vergroten van het interactiegebied tussen de punt en het vel, wat de wrijving verhoogt. Wanneer de punt begint te glijden, de plaat vervormt verder als het vervormde gebied gedeeltelijk met de punt wordt meegetrokken, rimpeling van de voorkant van het contactgebied. Dikkere platen kunnen niet zo gemakkelijk doorbuigen omdat ze veel stijver zijn, dus de toename van wrijving is minder uitgesproken.

De onderzoekers ontdekten dat de toename van wrijving kan worden voorkomen als de atoomplaten sterk aan het substraat worden gebonden. Als de materialen op de flat werden gestort, hoogenergetisch oppervlak van mica, een natuurlijk voorkomend mineraal, het effect gaat weg. Wrijving blijft hetzelfde ongeacht het aantal lagen omdat de vellen stevig op het mica worden geplakt, en er kan geen rimpeling optreden.

"Nanotechnologie onderzoekt hoe materialen zich anders gedragen als ze krimpen tot nanometerschaal, " zei Hone. "Op een fundamenteel niveau, het is opwindend om nog een eigenschap te vinden die fundamenteel verandert naarmate een materiaal kleiner wordt."

De resultaten kunnen ook praktische implicaties hebben voor het ontwerp van nanomechanische apparaten die grafeen gebruiken, wat een van de sterkste materialen is die we kennen. Het kan onderzoekers ook helpen het macroscopische gedrag van grafiet te begrijpen, MoS ₂ en BN, die worden gebruikt als gewone smeermiddelen om wrijving en slijtage in machines en apparaten te verminderen.