(Phys.org) —Un team interdisciplinare di ingegneri dell'Università della Pennsylvania ha fatto una scoperta sulle proprietà superficiali del grafene, il materiale vincitore del premio Nobel che consiste in un foglio atomicamente sottile di atomi di carbonio.

Alla macroscala, l'aggiunta di atomi di fluoro ai materiali a base di carbonio rende l'idrorepellenza, superfici antiaderenti, come il teflon. Però, su scala nanometrica, È stato riportato che l'aggiunta di fluoro al grafene aumenta notevolmente l'attrito sperimentato quando si scivola contro il materiale.

Attraverso una combinazione di esperimenti fisici e simulazioni atomistiche, il team di Penn ha scoperto il meccanismo alla base di questa sorprendente scoperta, che potrebbe aiutare i ricercatori a progettare e controllare meglio le proprietà superficiali di nuovi materiali.

La ricerca è stata condotta dal ricercatore post-dottorato Qunyang Li, studente laureato Xin-Zhou Liu e Robert Carpick, professore e presidente del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata della Penn's School of Engineering and Applied Science. Hanno collaborato con Vivek Shenoy, professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. Il contingente Penn ha anche lavorato con ricercatori del Naval Research Laboratory e della Brown University.

L'opera è stata pubblicata in Nano lettere .

Oltre alle sue applicazioni in circuiti e sensori, il grafene è interessante come rivestimento super resistente. Man mano che i componenti dei sistemi meccanici ed elettrici diventano più piccoli, sono sempre più soggetti a usura. Costituito da meno atomi rispetto alle loro controparti su macroscala, ogni atomo è molto più importante per la struttura e la funzione complessive del componente.

"Uno dei principali meccanismi di guasto per questi dispositivi su piccola scala è l'attrito e l'adesione, " Liu ha detto. "Perché il grafene è così forte, sottile e liscio, una delle sue potenziali applicazioni è ridurre l'attrito e aumentare la durata di questi dispositivi. Volevamo comprendere meglio i meccanismi fondamentali di come l'aggiunta di altri atomi influenza l'attrito del grafene".

L'aggiunta di atomi di fluoro al reticolo di carbonio del grafene crea una combinazione intrigante quando si tratta di queste proprietà.

"Parlando in generale, "Carpick ha detto, "il fluoro rende le superfici più idrorepellenti e antiaderenti. Gore-Tex e Teflon, Per esempio, ottengono le loro proprietà dal fluoro. Il teflon è un polimero di carbonio fluorurato, quindi abbiamo pensato che il grafene fluorurato potesse essere come il teflon bidimensionale".

Per testare le proprietà di attrito di questo materiale, i ricercatori della Penn hanno collaborato con Paul Sheehan e Jeremy Robinson del Naval Research Laboratory. Sheehan e Robinson sono stati i primi a scoprire il grafene fluorurato e sono esperti nella produzione di campioni del materiale secondo le specifiche.

"Ciò significava che siamo stati in grado di variare sistematicamente il grado di fluorurazione nei nostri campioni di grafene e quantificarlo con precisione, " Liu ha detto. "Questo ci ha permesso di fare confronti accurati quando abbiamo testato l'attrito di questi diversi campioni con un microscopio a forza atomica, uno strumento ultrasensibile in grado di misurare le forze di nanonewton."

I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che l'aggiunta di fluoro al grafene aumentava l'attrito del materiale, ma non riuscivano a spiegare immediatamente il meccanismo responsabile. Un altro gruppo di ricercatori aveva fatto contemporaneamente la stessa osservazione; hanno anche mostrato che l'aggiunta di fluoro ha aumentato la rigidità dei campioni di grafene e ha ipotizzato che questo fosse responsabile dell'aumento dell'attrito.

I ricercatori Penn, però, pensato che un altro meccanismo dovesse essere all'opera. Si sono rivolti a Shenoy, la cui esperienza consiste nello sviluppo di simulazioni su scala atomica dell'azione meccanica, per aiutare a spiegare cosa stava facendo l'aggiunta del fluoro alla superficie del grafene.

"Non abbiamo un microscopio in grado di visualizzare ciò che sta accadendo su questa piccola scala, "Shenoy ha detto, "ma ci sono pochi atomi sufficienti per poter modellare il modo in cui si comportano con un alto grado di precisione".

"Si scopre che aggiungendo fluoro, "Liu ha detto, "Stiamo cambiando il panorama dell'ondulazione energetica del grafene. Stiamo essenzialmente introducendo la rugosità elettronica, che su scala nanometrica, può agire come ruvidità fisica nell'aumentare l'attrito."

Nel grafene fluorurato, gli atomi di fluoro sporgono dal piano degli atomi di carbonio, ma i cambiamenti fisici in altezza impallidivano in confronto ai cambiamenti di energia locale prodotta da ciascun atomo di fluoro.

"Su scala nanometrica, "Carpick ha detto, "L'attrito non è determinato solo dalla posizione degli atomi, ma anche da quanta energia c'è nei loro legami. Ogni atomo di fluoro ha così tanta carica elettronica che si ottengono alti picchi e profonde valli tra di loro, rispetto al piano liscio del grafene normale. Si potrebbe dire che è come provare a scivolare su una strada liscia rispetto a una strada accidentata".

Al di là delle implicazioni per le applicazioni di rivestimento del grafene, i risultati del team forniscono informazioni fondamentali sulle proprietà della superficie del grafene.

"Ogni materiale interagisce con il mondo attraverso la sua superficie, "Carpick ha detto, "così comprendendo e manipolando le proprietà della superficie:attrito, adesione, interazioni con l'acqua, catalisi:sono importanti, aree di ricerca scientifica in corso. Vedere che il fluoro aumenta l'attrito nel grafene non è necessariamente una cosa negativa, poiché potrebbe darci un modo per adattare quella proprietà a una determinata applicazione. Ci aiuterà anche a capire come l'aggiunta di altri elementi, come l'idrogeno o l'ossigeno, potrebbe influenzare tali proprietà."