Le forze interatomiche provocano attrazione tra il foglio atomico e la punta in nanoscala del microscopio a forza atomica. I fogli sottili si piegano verso la punta, quindi aumentando l'attrito. Quando la punta inizia a scivolare, il foglio si deforma ulteriormente quando l'area deformata viene parzialmente tirata insieme alla punta. La scala dei colori degli atomi indica di quanto gli atomi si sono spostati verso l'alto (rosso) o verso il basso (blu) dalle loro posizioni originali. I fogli più spessi non possono deviare facilmente perché sono molto più rigidi, quindi l'aumento dell'attrito è meno pronunciato, coerente con le misurazioni dello studio. Credito:University of Pennsylvania and Science
Un team di ricercatori di nanotecnologia dell'Università della Pennsylvania e della Columbia University ha utilizzato la microscopia a forza di attrito per determinare le caratteristiche di attrito su scala nanometrica di quattro materiali atomicamente sottili, scoprendo una caratteristica universale per questi materiali così diversi. L'attrito attraverso questi fogli sottili aumenta al diminuire del numero di strati atomici, fino a uno strato di atomi. Questo aumento dell'attrito è stato sorprendente poiché in precedenza non esisteva alcuna teoria per prevedere questo comportamento.
La scoperta rivela un principio significativo per questi materiali, che sono ampiamente utilizzati come film lubrificanti solidi in applicazioni ingegneristiche critiche e sono i principali contendenti per la futura elettronica su scala nanometrica.
I ricercatori hanno scoperto che l'attrito aumenta progressivamente man mano che il numero di strati viene ridotto su tutti e quattro i materiali, indipendentemente da quanto diversi possano comportarsi chimicamente i materiali, elettronicamente o in grandi quantità. Queste misurazioni, supportato da modellazione computerizzata, suggeriscono che la tendenza deriva dal fatto che più un materiale è sottile più è flessibile, proprio come un singolo foglio di carta è molto più facile da piegare di un pezzo di cartone spesso.
Robert Carpick, professore nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata a Penn, e James Hone, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Columbia, ha guidato il progetto in modo collaborativo.
Il team ha testato il nanotribologico, o proprietà di attrito su nanoscala, di grafene, bisolfuro di molibdeno (MoS 2 ), esagonale-BN (h-BN) e diseleniuro di niobio (NbSe 2 ) fino a singoli fogli atomici. Il team ha letteralmente raschiato quantità su scala atomica di ciascun materiale su un substrato di ossido di silicio e ha confrontato i risultati con le controparti sfuse. Ogni materiale ha mostrato lo stesso comportamento di attrito di base nonostante avesse proprietà elettroniche che variano dal metallico al semiconduttore all'isolante.
"Chiamiamo questo meccanismo, che porta ad un maggiore attrito su fogli più sottili l' effetto raggrinzimento, '" ha detto Carpick. "Forze interatomiche, come la forza di van der Waals, causare attrazione tra il foglio atomico e la punta su scala nanometrica del microscopio a forza atomica che misura l'attrito su scala nanometrica".
Poiché il foglio è così sottile - in alcuni campioni spesso solo un atomo - si devia verso la punta, formare una forma increspata e aumentare l'area di interazione tra la punta e il foglio, che aumenta l'attrito. Quando la punta inizia a scivolare, il foglio si deforma ulteriormente poiché l'area deformata viene parzialmente tirata insieme alla punta, increspando il bordo anteriore dell'area di contatto. I fogli più spessi non possono deviare facilmente perché sono molto più rigidi, quindi l'aumento dell'attrito è meno pronunciato.
I ricercatori hanno scoperto che l'aumento dell'attrito potrebbe essere evitato se i fogli atomici fossero fortemente legati al substrato. Se i materiali sono stati depositati sull'appartamento, superficie ad alta energia di mica, un minerale naturale, l'effetto se ne va. L'attrito rimane lo stesso indipendentemente dal numero di strati perché i fogli sono fortemente attaccati alla mica, e non possono verificarsi increspature.
"La nanotecnologia esamina come i materiali si comportano diversamente quando si riducono alla scala nanometrica, " Hone ha detto. "A un livello fondamentale, è emozionante trovare un'altra proprietà che cambia radicalmente man mano che un materiale diventa più piccolo."
I risultati potrebbero anche avere implicazioni pratiche per la progettazione di dispositivi nanomeccanici che utilizzano grafene, che è uno dei materiali più resistenti conosciuti. Può anche aiutare i ricercatori a comprendere il comportamento macroscopico della grafite, MoS 2 e BN, che vengono utilizzati come lubrificanti comuni per ridurre l'attrito e l'usura in macchine e dispositivi.
