(Phys.org)—Se allenti una matita, scorre più facilmente? Sicuro. Ma forse no se la punta viene affilata fino a dimensioni nanometriche. Un team di ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) ha scoperto che se la grafite (il materiale nella matita "piombo") è abbastanza appiccicosa, misurato da una sonda su nanoscala, in realtà diventa più difficile far scorrere una punta sulla superficie del materiale man mano che si riduce la pressione, l'esatto opposto della nostra esperienza quotidiana.
tecnicamente, questo porta ad un efficace "coefficiente di attrito negativo, " qualcosa che non è stato visto prima, secondo il caposquadra Rachel Cannara. Grafite, Cannara spiega, fa parte di una classe speciale di solidi chiamati materiali "lamellari", che sono formati da pile di fogli bidimensionali di atomi. I fogli sono grafene, un piano di atomi di carbonio dello spessore di un singolo atomo disposti in uno schema esagonale. Il grafene ha una serie di proprietà elettriche e materiali esotiche che lo rendono attraente per i sistemi micro e nanoelettromeccanici con applicazioni che vanno da sensori di gas e accelerometri a risonatori e interruttori ottici.
Zhao Deng, un ricercatore post-dottorato dell'Università del Maryland presso il Center for Nanoscale Science and Technology del NIST, ha notato alcuni dati strani durante gli esperimenti sulla grafite con un microscopio a forza atomica (AFM). Deng stava misurando le forze di attrito sulla punta su scala nanometrica di un tracciamento AFM attraverso la grafite mentre modificava la "viscosità" della superficie consentendo a minuscole quantità di ossigeno di assorbire lo strato di grafene più in alto.
Simulazioni teoriche di attrito tra grafite e sonda AFM:
Deng ha scoperto che quando la forza adesiva tra il grafene e lo stilo diventava maggiore dell'attrazione dello strato di grafene sulla grafite sottostante, ridurre la pressione sullo stilo ha reso più difficile trascinare la punta sulla superficie, un attrito differenziale negativo.
Supportato da simulazioni teoriche eseguite da collaboratori del NIST e della Tsinghua University di Pechino, La squadra di Cannara ha scoperto che, dopo che la punta AFM è stata premuta nella superficie di grafite, se la forza attrattiva è abbastanza alta, la punta può allontanare una piccola regione localizzata dello strato superficiale di grafene dal materiale sfuso, come sollevare una bolla su scala nanometrica dalla superficie. Spingere quella deformazione richiede più lavoro che scivolare su una superficie piana. Perciò, ogni volta che i ricercatori premevano la punta dell'AFM contro la superficie di grafite appiccicosa e poi cercavano di separare i due, hanno misurato un aumento della forza di attrito con una sensibilità nell'ordine delle decine di piconewton.
"Una volta che avremo un modello completo che descrive come questi fogli di grafene si deformano sotto ripetuti carichi e scivolamenti su scala nanometrica, su cui stiamo lavorando ora, la microscopia a forza di attrito potrebbe essere il modo più diretto per misurare l'energia che lega insieme questi materiali stratificati. E, poiché non è distruttivo, la misurazione può essere eseguita su dispositivi funzionanti, " dice Cannara. Capire come i fogli interagiscono tra loro e con altre parti di un dispositivo aiuterebbe a quantificare l'energia necessaria per produrre fogli singoli da materiale sfuso, valutare il funzionamento del dispositivo, e assistere nella formulazione di nuove strutture basate su materiali stratificati, lei dice.
