(PhysOrg.com) -- Vergelijkbaar met de manier waarop bestrating, verzacht door een hete zon, zal een auto vertragen, grafeen - een één atoom dikke laag koolstof met wonderbaarlijke eigenschappen - vertraagt ​​​​een object dat over het oppervlak glijdt. Maar stapel de vellen en grafeen wordt gladder, zeggen theoretici van het National Institute of Standards and Technology, die nieuwe software ontwikkelde om de wrijving van het materiaal te kwantificeren.

"Ik denk niet dat iemand verwacht dat grafeen zich gedraagt ​​als een oppervlak van een driedimensionaal materiaal, maar onze simulatie verklaart voor het eerst de verschillen op atomaire schaal, " zegt NIST-postdoctoraal onderzoeker Alex Smolyanitsky, die het modelleringsprogramma schreef en co-auteur was van een nieuw artikel over het onderzoek. "Als mensen grafeen willen gebruiken als smeermiddel in vaste toestand of zelfs als onderdeel van flexibele elektroden, dit is belangrijk werk."

Met de capaciteit om op te vouwen, gerold of gestapeld, grafeen is supersterk en heeft ongebruikelijke elektronische en optische eigenschappen. Het materiaal kan worden gebruikt in toepassingen variërend van elektronische circuits tot zonnecellen tot het "smeren" van bewegende delen in apparaten op nanoschaal.

Wrijving is de kracht die weerstand biedt aan het schuiven van twee oppervlakken tegen elkaar. Het bestuderen van wrijving op atomaire schaal is een uitdaging, alleen in de afgelopen jaren overbrugbaar. De NIST-software simuleert atomaire krachtmicroscopie (AFM) met behulp van een moleculaire dynamische techniek. Het programma werd gebruikt om te meten wat er gebeurt als een gesimuleerde AFM-tip met verschillende scansnelheden over een stapel van één tot vier grafeenvellen beweegt (zie afbeelding).

De onderzoekers ontdekten dat grafeen onder en rond de AFM-tip afbuigt. De gelokaliseerde, tijdelijke kromtrekken creëert rollende wrijving of weerstand, de kracht die weerstand uitoefent op een cirkelvormig voorwerp dat over een oppervlak rolt. Smolyanitsky vergelijkt het effect met het smelten van de zon en het zachter worden van de stoep in de staat waar hij promoveerde, Arizona, waardoor autobanden iets wegzakken en langzamer gaan rijden. De NIST-resultaten komen overeen met die van recente grafeenexperimenten door andere onderzoeksgroepen, maar leveren nieuwe kwantitatieve gegevens op.

Het meest significant, de NIST-studie laat zien waarom wrijving daalt bij elk vel grafeen dat aan de stapel wordt toegevoegd (snel scannen heeft ook effect op de wrijving). Met minder lagen, de toplaag buigt meer door, en de wrijving per eenheid AFM-contactkracht stijgt. Het bovenoppervlak van de stapel wordt minder meegevend en gladder naarmate grafeenlagen worden toegevoegd. Daarentegen, de wrijving van driedimensionaal grafietachtig materiaal wordt vrijwel niet beïnvloed door vervorming en rolwrijving, en is in plaats daarvan te wijten aan warmte die wordt gecreëerd door de bewegende punt.