(Phys.org)—Als je het wat rustiger aan doet met een potlood, schuift het makkelijker? Zeker wel. Maar misschien niet als de punt is geslepen tot nanoschaaldimensies. Een team van onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft ontdekt dat als grafiet (het materiaal in potlood "lood") plakkerig genoeg is, zoals gemeten door een sonde op nanoschaal, het wordt zelfs moeilijker om een ​​punt over het oppervlak van het materiaal te schuiven naarmate je de druk vermindert - precies het tegenovergestelde van onze dagelijkse ervaring.

Technisch gezien, dit leidt tot een effectief "negatieve wrijvingscoëfficiënt, "iets dat nog niet eerder is gezien, volgens teamleider Rachel Cannara. Grafiet, Cannara legt uit, behoort tot een speciale klasse van vaste stoffen die "lamellaire" materialen worden genoemd, die zijn gevormd uit stapels tweedimensionale vellen atomen. De platen zijn van grafeen, een enkel atoom dik vlak van koolstofatomen die in een hexagonaal patroon zijn gerangschikt. Grafeen heeft een aantal exotische elektrische en materiaaleigenschappen die het aantrekkelijk maken voor micro- en nano-elektromechanische systemen met toepassingen variërend van gassensoren en versnellingsmeters tot resonatoren en optische schakelaars.

Zhao Deng, een postdoctoraal onderzoeker van de Universiteit van Maryland bij NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, merkte een aantal vreemde gegevens op tijdens het experimenteren op grafiet met een atomaire krachtmicroscoop (AFM). Deng was de wrijvingskrachten aan het meten op de nanoschaalpunt van een AFM die over het grafiet volgde terwijl hij de "plakkerigheid" van het oppervlak aanpaste door kleine hoeveelheden zuurstof te laten adsorberen aan de bovenste grafeenlaag.

Theoretische simulaties van wrijving tussen grafiet en AFM-sonde:

Deng ontdekte dat wanneer de adhesiekracht tussen het grafeen en de stylus groter werd dan de aantrekkingskracht van de grafeenlaag op het onderstaande grafiet, het verminderen van de druk op de stylus maakte het moeilijker om de punt over het oppervlak te slepen - een negatieve differentiële wrijving.

Gesteund door theoretische simulaties uitgevoerd door medewerkers van NIST en Tsinghua University in Beijing, Cannara's team ontdekte dat, nadat de AFM-tip in het grafietoppervlak is gedrukt, als de aantrekkingskracht groot genoeg is, de punt kan een klein gelokaliseerd gebied van de oppervlaktelaag van grafeen wegtrekken van het bulkmateriaal, alsof je een zeepbel op nanoschaal van het oppervlak haalt. Het rondduwen van die vervorming kost meer werk dan over een plat oppervlak glijden. Daarom, telkens wanneer de onderzoekers de AFM-tip tegen het kleverige grafietoppervlak drukten en vervolgens probeerden de twee uit elkaar te trekken, ze maten een toename van de wrijvingskracht met een gevoeligheid in de tientallen piconewtons.

"Zodra we een compleet model hebben dat beschrijft hoe deze grafeenvellen vervormen onder herhaald laden en glijden op nanoschaal - waar we nu aan werken - kan wrijvingskrachtmicroscopie de meest directe manier zijn om de energie te meten die deze gelaagde materialen samenbindt. En, omdat het niet-destructief is, de meting kan worden uitgevoerd op werkende apparaten, ", zegt Cannara. Als we begrijpen hoe de platen met elkaar en met andere delen van een apparaat omgaan, zou dit helpen om de energie te kwantificeren die nodig is om afzonderlijke platen uit bulkmateriaal te produceren, de werking van het apparaat beoordelen, en helpen bij het formuleren van nieuwe structuren op basis van gelaagde materialen, ze zegt.