(Phys.org) — Een interdisciplinair team van ingenieurs van de Universiteit van Pennsylvania heeft een ontdekking gedaan met betrekking tot de oppervlakte-eigenschappen van grafeen, het Nobelprijswinnende materiaal dat bestaat uit een atomair dunne laag koolstofatomen.

Op macroschaal, het toevoegen van fluoratomen aan op koolstof gebaseerde materialen zorgt voor waterafstotend, antiaanbaklaag, zoals teflon. Echter, op nanoschaal, Het toevoegen van fluor aan grafeen zou de wrijving die wordt ervaren bij het glijden tegen het materiaal enorm vergroten.

Door een combinatie van fysieke experimenten en atomistische simulaties, het Penn-team heeft het mechanisme achter deze verrassende bevinding ontdekt, die onderzoekers zouden kunnen helpen om de oppervlakte-eigenschappen van nieuwe materialen beter te ontwerpen en te beheersen.

Het onderzoek werd geleid door postdoctoraal onderzoeker Qunyang Li, afgestudeerde student Xin-Zhou Liu en Robert Carpick, hoogleraar en voorzitter van de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica in Penn's School of Engineering and Applied Science. Ze werkten samen met Vivek Shenoy, een professor in de afdeling Materials Science and Engineering. Het Penn-contingent werkte ook samen met onderzoekers van het Naval Research Laboratory en Brown University.

Het werk is gepubliceerd in Nano-letters .

Naast de toepassingen in circuits en sensoren, grafeen is interessant als supersterke coating. Naarmate componenten van mechanische en elektrische systemen kleiner worden, ze zijn steeds gevoeliger voor slijtage. Bestaat uit minder atomen dan hun tegenhangers op macroschaal, elk atoom is zo veel belangrijker voor de algehele structuur en functie van het onderdeel.

"Een van de belangrijkste faalmechanismen voor deze kleinschalige apparaten is wrijving en adhesie, " zei Liu. "Omdat grafeen zo sterk is, dun en glad, een van de mogelijke toepassingen is het verminderen van wrijving en het verlengen van de levensduur van deze apparaten. We wilden de fundamentele mechanismen beter begrijpen van hoe de toevoeging van andere atomen de wrijving van grafeen beïnvloedt."

De toevoeging van fluoratomen aan het koolstofrooster van grafeen zorgt voor een intrigerende combinatie als het gaat om die eigenschappen.

"In het algemeen, "Carpick zei, "fluor maakt oppervlakken waterafstotend en niet-klevend. Gore-Tex en Teflon, bijvoorbeeld, krijgen hun eigenschappen van fluor. Teflon is een gefluoreerd koolstofpolymeer, dus we dachten dat gefluoreerd grafeen zou kunnen zijn als tweedimensionaal teflon."

Om de wrijvingseigenschappen van dit materiaal te testen, de Penn-onderzoekers werkten samen met Paul Sheehan en Jeremy Robinson van het Naval Research Laboratory. Sheehan en Robinson waren de eersten die gefluoreerd grafeen ontdekten en zijn experts in het produceren van monsters van het materiaal volgens specificatie.

"Dit betekende dat we de mate van fluorering in onze grafeenmonsters systematisch konden variëren en nauwkeurig konden kwantificeren, Liu zei. "Dat laten we nauwkeurige vergelijkingen maken toen we de wrijving van deze verschillende monsters testten met een atoomkrachtmicroscoop, een ultragevoelig instrument dat nanonewton-krachten kan meten."

De onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat het toevoegen van fluor aan grafeen de wrijving van het materiaal verhoogde, maar konden het verantwoordelijke mechanisme niet meteen verklaren. Een andere groep onderzoekers had tegelijkertijd dezelfde observatie gedaan; ze toonden ook aan dat de toevoeging van fluor de stijfheid van de grafeenmonsters verhoogde en veronderstelden dat dit verantwoordelijk was voor de verhoogde wrijving.

De Penn-onderzoekers, echter, dacht dat er een ander mechanisme aan het werk moest zijn. Ze wendden zich tot Shenoy, wiens expertise ligt in het ontwikkelen van simulaties op atomaire schaal van mechanische actie, om te helpen verklaren wat de toevoeging van fluor aan het oppervlak van het grafeen deed.

"We hebben geen microscoop die kan visualiseren wat er op deze kleine schaal gebeurt, "Shenoy zei, "maar er zijn maar weinig atomen die we kunnen modelleren hoe ze zich gedragen met een hoge mate van nauwkeurigheid."

"Het blijkt dat door toevoeging van fluor, "Lou zei, "we veranderen het energiegolflandschap van het grafeen. We introduceren in wezen elektronische ruwheid, die op nanoschaal kan fungeren als fysieke ruwheid bij toenemende wrijving."

In gefluoreerd grafeen, de fluoratomen steken uit het vlak van koolstofatomen, maar de fysieke veranderingen in hoogte verbleekt in vergelijking met de veranderingen van lokale energie die elk fluoratoom produceerde.

"Op nanoschaal "Carpick zei, "Wrijving wordt niet alleen bepaald door de plaatsing van atomen, maar ook hoeveel energie er in hun bindingen zit. Elk fluoratoom heeft zoveel elektronische lading dat je hoge pieken en diepe dalen ertussen krijgt, vergeleken met het gladde vlak van regulier grafeen. Je zou kunnen zeggen dat het is alsof je probeert te glijden over een gladde weg versus een hobbelige weg."

Afgezien van de implicaties voor de coatingtoepassingen van grafeen, de bevindingen van het team bieden fundamenteel inzicht in de oppervlakte-eigenschappen van grafeen.

"Elk materiaal interageert met de wereld via zijn oppervlak, "Carpick zei, "dus het begrijpen en manipuleren van oppervlakte-eigenschappen - wrijving, hechting, interacties met water, katalyse - zijn belangrijk, lopende gebieden van wetenschappelijk onderzoek. Zien dat fluor de wrijving in grafeen verhoogt, is niet per se een slechte zaak, omdat het ons een manier kan bieden om die eigenschap aan een bepaalde toepassing aan te passen. Het zal ons ook helpen begrijpen hoe de toevoeging van andere elementen, zoals waterstof of zuurstof, die eigenschappen kunnen beïnvloeden."