grafeen, een tweedimensionale vorm van koolstof in platen van slechts één atoom dik, onderwerp van uitgebreid onderzoek is geweest, voor een groot deel vanwege de unieke combinatie van kracht, elektrische geleiding, en chemische stabiliteit. Maar ondanks vele jaren van studie, sommige fundamentele eigenschappen van grafeen zijn nog steeds niet goed begrepen, inclusief de manier waarop het zich gedraagt ​​wanneer iets over het oppervlak glijdt.

Nutsvoorzieningen, met behulp van krachtige computersimulaties, onderzoekers van MIT en elders hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt in het begrijpen van dat proces, inclusief waarom de wrijving varieert als het object dat erop schuift naar voren beweegt, in plaats van constant te blijven zoals bij de meeste andere bekende materialen.

De bevindingen worden deze week gepresenteerd in het tijdschrift Natuur , in een paper van Ju Li, hoogleraar nucleaire wetenschap en techniek en materiaalwetenschap en techniek aan het MIT, en zeven anderen aan het MIT, de Universiteit van Pennsylvania, en universiteiten in China en Duitsland.

Grafiet, een bulkmateriaal bestaande uit vele lagen grafeen, is een bekend vast smeermiddel. (Met andere woorden, zoals olie, het kan tussen contactmaterialen worden toegevoegd om wrijving te verminderen.) Recent onderzoek suggereert dat zelfs een of enkele lagen grafeen ook voor effectieve smering kunnen zorgen. Dit kan worden gebruikt in kleinschalige thermische en elektrische contacten en andere apparaten op nanoschaal. In dergelijke gevallen, een begrip van de wrijving tussen twee stukken grafeen, of tussen grafeen en een ander materiaal, is belangrijk voor het in stand houden van een goede elektrische, thermisch, en mechanische verbinding. Onderzoekers hadden eerder ontdekt dat terwijl één laag grafeen op een oppervlak wrijving vermindert, een paar meer was nog beter. Echter, de reden hiervoor was niet eerder goed uitgelegd, zegt Li.

"Er is een brede opvatting in de tribologie dat wrijving afhangt van het werkelijke contactgebied, " zegt Li - dat wil zeggen, het gebied waar twee materialen echt in contact zijn, tot op atomair niveau. Het "echte" contactoppervlak is vaak aanzienlijk kleiner dan het anders zou lijken als het op grotere schaal zou worden waargenomen. Het bepalen van het werkelijke contactoppervlak is belangrijk om niet alleen de mate van wrijving tussen de stukken te begrijpen, maar ook andere eigenschappen zoals de elektrische geleiding of warmteoverdracht.

Bijvoorbeeld, legt co-auteur Robert Carpick van de Universiteit van Pennsylvania uit, "Als twee delen in een machine contact maken, als twee tanden van stalen tandwielen, de werkelijke hoeveelheid staal in contact is veel kleiner dan het lijkt, omdat de tandwieltanden ruw zijn, en contact vindt alleen plaats op de bovenste uitstekende punten op de oppervlakken. Als de oppervlakken werden gepolijst om vlakker te zijn, zodat twee keer zoveel oppervlak in contact was, de wrijving zou dan twee keer zo hoog zijn. Met andere woorden, de wrijvingskracht verdubbelt als het werkelijke gebied van direct contact verdubbelt."

Maar het blijkt dat de situatie nog complexer is dan wetenschappers hadden gedacht. Li en zijn collega's ontdekten dat er ook andere aspecten van het contact zijn die van invloed zijn op hoe wrijvingskracht erover wordt overgedragen. "Dit noemen we de kwaliteit van het contact, in tegenstelling tot de hoeveelheid contact gemeten door het 'echte contact'-gebied, " legt Li uit.

Experimentele waarnemingen hadden aangetoond dat wanneer een object op nanoschaal langs een enkele laag grafeen glijdt, de wrijvingskracht neemt in eerste instantie toe, alvorens uiteindelijk af te vlakken. Dit effect neemt af en de afgevlakte wrijvingskracht neemt af bij het glijden op steeds meer grafeenplaten. Dit fenomeen werd ook gezien in andere gelaagde materialen, waaronder molybdeendisulfide. Eerdere pogingen om deze variatie in wrijving te verklaren, niet gezien in iets anders dan deze tweedimensionale materialen, tekort was gekomen.

Om de kwaliteit van het contact te bepalen, het is noodzakelijk om de exacte positie van elk atoom op elk van de twee oppervlakken te kennen. De kwaliteit van het contact hangt af van hoe goed de atomaire configuraties zijn uitgelijnd in de twee contactoppervlakken, en op de synchronie van deze afstemmingen. Volgens de computersimulaties deze factoren bleken belangrijker dan de traditionele maatstaf om het wrijvingsgedrag van de materialen te verklaren, volgens Li.

"Je kunt de toename van de wrijving niet verklaren" als het materiaal begint te glijden "door alleen het contactgebied, " zegt Li. "Het grootste deel van de verandering in wrijving is eigenlijk te wijten aan verandering in de kwaliteit van contact, niet het echte contactgebied." De onderzoekers ontdekten dat de handeling van glijden ervoor zorgt dat grafeenatomen beter contact maken met het object dat erlangs schuift; deze toename van de kwaliteit van contact leidt tot een toename van wrijving naarmate het glijden vordert en uiteindelijk afvlakt. Het effect is sterk voor een enkele laag grafeen omdat het grafeen zo flexibel is dat de atomen zich kunnen verplaatsen naar locaties met een beter contact met de punt.

Een aantal factoren kan de kwaliteit van contact beïnvloeden, inclusief stijfheid van de oppervlakken, lichte krommingen, en gasmoleculen die tussen de twee vaste lagen komen, zegt Li. Maar door te begrijpen hoe het proces werkt, ingenieurs kunnen nu specifieke stappen ondernemen om dat wrijvingsgedrag aan te passen aan een bepaald beoogd gebruik van het materiaal. Bijvoorbeeld, "voorrimpelen" van het grafeenmateriaal kan het meer flexibiliteit geven en de kwaliteit van het contact verbeteren. "We kunnen dat gebruiken om de wrijving met een factor drie te variëren, terwijl het echte contactgebied nauwelijks verandert, " hij zegt.

"Met andere woorden, het is niet alleen het materiaal zelf" dat bepaalt hoe het glijdt, maar ook de randvoorwaarde - inclusief of het los en gerimpeld is of plat en strak uitgerekt, hij zegt. En deze principes zijn niet alleen van toepassing op grafeen, maar ook op andere tweedimensionale materialen, zoals molybdeendisulfide, boornitride, of andere materialen met een enkel atoom of een enkel molecuul dik.

"Mogelijk, een bewegend mechanisch contact kan worden gebruikt als een manier om zeer goede stroomschakelaars in kleine elektronische apparaten te maken, "zegt Li. Maar dat is nog een eindje weg; terwijl grafeen een veelbelovend materiaal is dat op grote schaal wordt bestudeerd, "we wachten nog steeds tot grafeenelektronica en 2D-elektronica van de grond komen. Het is een opkomend veld."