Guidato dal dottor Elton Santos della Scuola di Matematica e Fisica dell'Università, un team internazionale di ricercatori ha scoperto la superlubrificazione in alcuni strati di grafene, un concetto in cui l'attrito svanisce o quasi svanisce. Gli esperti hanno anche scoperto che alcuni strati di nitruro di boro esagonale (h-BN) sono resistenti come il diamante ma sono più flessibili, più economico e leggero.

Le scoperte, che sono stati segnalati in Comunicazioni sulla natura , rivelano che gli strati di h-BN formano l'isolante sottile più forte disponibile a livello globale e le qualità uniche del materiale potrebbero essere utilizzate per creare dispositivi intelligenti flessibili e quasi indistruttibili, così come vernice antigraffio per auto.

Il dottor Santos spiega:"Tutti a un certo punto della vita abbiamo calpestato una superficie scivolosa dove dobbiamo stabilizzare il nostro equilibrio in modo da non cadere. Nella maggior parte dei casi, liquidi come acqua o olio sono la causa e questo stato scivoloso è ciò che descriviamo come superlubrificazione - non c'è fondamentalmente attrito su una superficie.

"Nel grafene, questo stato di superlubricità deriva dagli orbitali atomici che compongono gli atomi di carbonio. Normalmente, per generare attrito alcuni orbitali devono sovrapporsi e riscaldarsi, o un po' di energia, deve essere rilasciato. Sorprendentemente, la nostra ricerca mostra che il grafene non richiede questo processo, semplicemente scivola spontaneamente sopra altri strati ma non rilascia calore. Ciò significa che il grafene, che è 300 volte più resistente dell'acciaio, diventa meccanicamente più debole e può rompersi facilmente."

I risultati della ricerca sugli strati di h-BN mostrano che le sue proprietà meccaniche sono simili al diamante ma sono molto più economiche, più flessibile e leggero. Può essere facilmente integrato in piccoli circuiti elettronici o per rinforzare strutture in quanto più robusto contro urti o sollecitazioni meccaniche.

Il dottor Santos ha commentato:"È stato un privilegio lavorare con ricercatori globali per prevedere e misurare il grafene multistrato e l'h-BN in un modo senza precedenti. Al momento è quasi impossibile fare grandi scoperte scientifiche senza lavorare in collaborazione. Alla Queen's University abbiamo avanzato la nostra conoscenza di questi materiali stratificati e abbiamo fatto alcune importanti scoperte, che potrebbe aiutare ad affrontare molte sfide globali all'interno della nostra società.

"La nostra scoperta chiave è che il grafene a doppio strato sviluppa uno stato di super-lubrificazione in cui non viene generato alcun riscaldamento mentre gli strati scivolano uno sopra l'altro. Solo pochi materiali hanno queste caratteristiche e sembra che il grafene sia entrato a far parte di questo club esclusivo. Durante questo processo , abbiamo anche scoperto che h-BN, un lubrificante comune utilizzato in diverse applicazioni automobilistiche e industriali, sviluppato una resistenza meccanica in pochi strati. Questi sono forti come il diamante, misurato in termini di una quantità chiamata modulo di Young. Questa è una scoperta davvero rivoluzionaria in quanto nemmeno un isolante con strati sottili potrebbe mantenere il suo modulo di Young a magnitudini così elevate.

"Ci sono diverse possibilità di applicazione delle nostre scoperte che potrebbero avere un impatto positivo nel mondo reale. Stiamo osservando una tempistica di circa cinque-dieci anni per trasformare le scoperte in prodotti reali, ma potremmo vedere benefici come il rinforzo del materiale per miscela in soluzioni come inchiostro per vernice, che darebbe ulteriore resistenza alla corrosione e potrebbe potenzialmente significare auto antigraffio in futuro.

"Questo materiale elastico potrebbe essere utilizzato anche in dispositivi elettronici e motori per ridurre l'attrito, poiché non viene rilasciato calore."

Il dottor Santos ha aggiunto:"Nell'elettronica, diverse aziende stanno attualmente integrando h-BN in prototipi insieme al grafene per la creazione di dispositivi intelligenti come iPad e Android con caratteristiche uniche. Queste aziende stanno anche incorporando h-BN con polimeri per dare ulteriore resistenza per nuove applicazioni meccaniche come aerospaziale, sport e ingegneria civile.

"Attualmente stiamo cercando altre combinazioni di cristalli 2D che potrebbero essere utilizzate per applicazioni simili. Finora, il grafene sembra il miglior candidato, ma c'è ancora molto da esplorare all'interno della libreria di materiali stratificati. Il futuro è luminoso per i materiali 2D grazie allo sviluppo, progressi e ricerche attualmente in corso in tutto il mondo."