Lo studio delle interazioni microscopiche a singole asperità è vitale per la comprensione dell'attrito e della lubrificazione su macroscala. Gli strumenti di sonda di superficie con punte di nanotubi di carbonio possono consentire tali indagini, come ora dimostrato in uno studio teorico condotto da Ping Liu e Yong-Wei Zhang presso l'A*STAR Institute of High Performance Computing. I ricercatori hanno dimostrato che breve, a parete singola, i nanotubi di carbonio tappati sono in grado di catturare le caratteristiche di attrito del grafene con risoluzione atomica.

“Per una punta di sondaggio ideale, la sua dimensione dovrebbe essere il più piccola possibile, la sua rigidità dovrebbe essere la più ampia possibile, la sua geometria dovrebbe essere ben definita, e dovrebbe essere chimicamente inerte, ” spiega Liu. La combinazione di tali caratteristiche consentirebbe la caratterizzazione della superficie con risoluzione atomica garantendo nel contempo una lunga durata e geometrica, stabilità chimica e fisica della punta.

Nanotubi di carbonio, in particolare quelli corti, sono di grande interesse a causa dei loro forti legami carbonio-carbonio intrinseci, che consente loro di resistere alla deformazione di instabilità e flessione e di ripristinare la loro forma originale dopo la deformazione. I tubi con tappo a loro volta offrono una migliore stabilità chimica e rigidità rispetto ai tubi senza tappo. Queste considerazioni indicano che breve, i nanotubi di carbonio a parete singola con tappo possono essere punte ideali per le sonde di imaging.

Poiché non è ancora possibile utilizzare tali suggerimenti in configurazioni sperimentali, per testare questa ipotesi Liu e Zhang hanno eseguito simulazioni atomiche su larga scala concentrandosi sull'interazione tra tali punte di sonda di nanotubi e grafene (vedi immagine), un materiale di carbonio ideale per la lubrificazione del rivestimento superficiale. “A causa dei progressi nello sviluppo di accurati potenziali atomici e di enormi algoritmi di calcolo parallelo, simulazioni atomistiche non solo ci consentono di determinare le caratteristiche di sondaggio di tali punte, ma anche per indagare le caratteristiche di attrito e difetto del grafene con risoluzione atomica, "dice Liu.

Le simulazioni potrebbero catturare la dipendenza dell'attrito e delle forze normali medie dalla distanza punta-superficie e dal numero di strati di grafene. I ricercatori hanno analizzato e interpretato le caratteristiche osservate in termini di diversi tipi di movimenti di scorrimento della punta sulla superficie, così come i meccanismi di dissipazione dell'energia tra la punta e gli strati di grafene sottostanti. Potrebbero inoltre identificare chiare firme che distinguono il movimento di una punta attraverso un difetto puntuale o il cosiddetto difetto Stone-Thrower-Wales, che si pensa sia responsabile della plasticità su scala nanometrica e delle transizioni fragile-duttile nel reticolo di carbonio del grafene. "Le nostre simulazioni forniscono informazioni sull'attrito su scala nanometrica e possono fornire linee guida su come controllarlo, "dice Liu.