Het bestuderen van microscopische interacties bij enkele oneffenheden is van vitaal belang voor het begrip van wrijving en smering op macroschaal. Instrumenten met oppervlaktesondes met koolstofnanobuisjes kunnen dergelijk onderzoek mogelijk maken, zoals nu aangetoond in een theoretische studie onder leiding van Ping Liu en Yong-Wei Zhang aan het A*STAR Institute of High Performance Computing. De onderzoekers toonden aan dat korte, enkelwandig, afgetopte koolstofnanobuizen zijn in staat om de wrijvingskenmerken van grafeen vast te leggen met atomaire resolutie.

“Voor een ideale meettip, de afmeting moet zo klein mogelijk zijn, de stijfheid moet zo groot mogelijk zijn, de geometrie moet goed gedefinieerd zijn, en het moet chemisch inert zijn, ’ legt Liu uit. De combinatie van dergelijke kenmerken zou oppervlaktekarakterisering met atomaire resolutie mogelijk maken, terwijl een lange levensduur en geometrische, chemische en fysische stabiliteit van de punt.

Koolstof nanobuisjes, vooral korte, zijn van groot belang vanwege hun inherente sterke koolstof-koolstofbindingen, waardoor ze bestand zijn tegen knik- en buigvervorming en na vervorming in hun oorspronkelijke vorm herstellen. Afgetopte buizen bieden op hun beurt verbeterde chemische stabiliteit en stijfheid in vergelijking met niet-afgedekte buizen. Deze overwegingen geven aan dat korte, enkelwandige koolstofnanobuisjes met dop kunnen ideale sondepunten voor beeldvorming zijn.

Aangezien het nog niet mogelijk is om dergelijke tips in experimentele opstellingen te gebruiken, om deze hypothese te testen, voerden Liu en Zhang grootschalige atomistische simulaties uit die zich richtten op de interactie tussen dergelijke sondepunten van nanobuisjes en grafeen (zie afbeelding) - een koolstofmateriaal dat ideaal is voor het smeren van oppervlaktecoating. “Vanwege de vooruitgang in de ontwikkeling van nauwkeurige atoompotentialen en enorme parallelle computeralgoritmen, atomistische simulaties stellen ons niet alleen in staat om de sonderingskenmerken van dergelijke tips te bepalen, maar ook om de wrijvings- en defectkenmerken van grafeen met atomaire resolutie te onderzoeken, ' zegt Liu.

De simulaties kunnen de afhankelijkheid van de wrijving en de gemiddelde normaalkrachten van de afstand tussen de uiteinden en het aantal grafeenlagen vastleggen. De onderzoekers analyseerden en interpreteerden de waargenomen kenmerken in termen van verschillende soorten glijdende bewegingen van de punt over het oppervlak, evenals energiedissipatiemechanismen tussen de punt en onderliggende grafeenlagen. Ze konden verder duidelijke handtekeningen identificeren die de beweging van een punt over een puntdefect of het zogenaamde Stone-Thrower-Wales-defect onderscheiden, waarvan wordt gedacht dat het verantwoordelijk is voor plasticiteit op nanoschaal en bros-ductiele overgangen in het grafeen-koolstofrooster. "Onze simulaties geven inzicht in wrijving op nanoschaal en kunnen richtlijnen bieden voor het beheersen ervan, ' zegt Liu.