Le immagini prodotte da simulazioni al computer mostrano la risposta di una superficie di grafene quando una punta di silicio vi scivola sopra. Le forze relative di attrito atomico sulla superficie sono mostrate dai colori:i punti rossi sono siti "spingenti" che aiutano a spingere la punta lungo la superficie, mentre i punti blu sono siti "incastrati" di maggiore attrito che inibiscono il movimento della punta. Credito:per gentile concessione dei ricercatori
Grafene, una forma bidimensionale di carbonio in fogli di un solo atomo di spessore, è stato oggetto di ampia ricerca, in gran parte a causa della sua combinazione unica di forza, conduttività elettrica, e stabilità chimica. Ma nonostante molti anni di studio, alcune delle proprietà fondamentali del grafene non sono ancora ben comprese, compreso il modo in cui si comporta quando qualcosa scivola lungo la sua superficie.
Ora, utilizzando potenti simulazioni al computer, ricercatori al MIT e altrove hanno fatto passi da gigante nella comprensione di quel processo, compreso il motivo per cui l'attrito varia man mano che l'oggetto che scorre su di esso si sposta in avanti, invece di rimanere costante come fa con la maggior parte degli altri materiali conosciuti.
I risultati sono presentati questa settimana sulla rivista Natura , in un articolo di Ju Li, professore di scienze e ingegneria nucleare e di scienza e ingegneria dei materiali al MIT, e altri sette al MIT, l'Università della Pennsylvania, e università in Cina e Germania.
Grafite, un materiale sfuso composto da molti strati di grafene, è un noto lubrificante solido. (In altre parole, come l'olio, può essere aggiunto tra i materiali a contatto per ridurre l'attrito.) Ricerche recenti suggeriscono che anche uno o pochi strati di grafene possono anche fornire una lubrificazione efficace. Questo può essere utilizzato in contatti termici ed elettrici su piccola scala e altri dispositivi su scala nanometrica. In tali casi, una comprensione dell'attrito tra due pezzi di grafene, o tra il grafene e un altro materiale, è importante per mantenere un buon impianto elettrico, termico, e collegamento meccanico. I ricercatori avevano precedentemente scoperto che mentre uno strato di grafene su una superficie riduce l'attrito, averne qualcuna in più era ancora meglio. Però, la ragione di ciò non era stata ben spiegata prima, Li dice.
"C'è questa nozione ampia in tribologia che l'attrito dipende dalla vera area di contatto, " Li dice, cioè l'area in cui due materiali sono realmente in contatto, fino al livello atomico. La "vera" area di contatto è spesso sostanzialmente più piccola di quanto sembrerebbe altrimenti se osservata su scale di dimensioni maggiori. Determinare la vera area di contatto è importante per comprendere non solo il grado di attrito tra i pezzi, ma anche altre caratteristiche come la conduzione elettrica o il trasferimento di calore.
Per esempio, spiega il coautore Robert Carpick dell'Università della Pennsylvania, "Quando due parti di una macchina entrano in contatto, come due denti di ingranaggi d'acciaio, la quantità effettiva di acciaio a contatto è molto più piccola di quanto sembri, perché i denti degli ingranaggi sono ruvidi, e il contatto avviene solo nei punti più sporgenti delle superfici. Se le superfici sono state lucidate per essere più piatte in modo che il doppio dell'area fosse a contatto, l'attrito sarebbe quindi il doppio. In altre parole, la forza di attrito raddoppia se la vera area di contatto diretto raddoppia."
Ma si scopre che la situazione è ancora più complessa di quanto gli scienziati avessero pensato. Li e i suoi colleghi hanno scoperto che ci sono anche altri aspetti del contatto che influenzano il modo in cui la forza di attrito viene trasferita attraverso di esso. "Chiamiamo questo la qualità del contatto, rispetto alla quantità di contatto misurata dall'area di "vero contatto", "Li spiega.
Osservazioni sperimentali avevano dimostrato che quando un oggetto su scala nanometrica scivola lungo un singolo strato di grafene, la forza di attrito effettivamente aumenta all'inizio, prima di stabilizzarsi. Questo effetto diminuisce e la forza di attrito livellata diminuisce quando si fa scorrere su un numero sempre maggiore di fogli di grafene. Questo fenomeno è stato osservato anche in altri materiali stratificati, incluso il bisolfuro di molibdeno. Precedenti tentativi di spiegare questa variazione di attrito, non visto in nient'altro che questi materiali bidimensionali, era venuto meno.
Per determinare la qualità del contatto, è necessario conoscere l'esatta posizione di ciascun atomo su ciascuna delle due superfici. La qualità del contatto dipende da quanto sono allineate le configurazioni atomiche nelle due superfici a contatto, e sulla sincronia di questi allineamenti. Secondo le simulazioni al computer, questi fattori si sono rivelati più importanti della misura tradizionale nello spiegare il comportamento di attrito dei materiali, secondo Li.
"Non puoi spiegare l'aumento dell'attrito" mentre il materiale inizia a scivolare "solo nell'area di contatto, " Dice Li. "La maggior parte del cambiamento nell'attrito è in realtà dovuto al cambiamento nella qualità del contatto, non la vera area di contatto." I ricercatori hanno scoperto che l'atto di scivolare fa sì che gli atomi di grafene stabiliscano un contatto migliore con l'oggetto che scorre lungo di esso; questo aumento della qualità del contatto porta all'aumento dell'attrito man mano che lo scorrimento procede e alla fine si stabilizza. L'effetto è forte per un singolo strato di grafene perché il grafene è così flessibile che gli atomi possono spostarsi in posizioni di migliore contatto con la punta.
Diversi fattori possono influenzare la qualità del contatto, compresa la rigidità delle superfici, lievi curvature, e molecole di gas che si insinuano tra i due strati solidi, Li dice. Ma comprendendo il modo in cui funziona il processo, gli ingegneri possono ora adottare misure specifiche per modificare quel comportamento di attrito in modo che corrisponda a un particolare uso previsto del materiale. Per esempio, La "preruggine" del materiale in grafene può dargli maggiore flessibilità e migliorare la qualità del contatto. "Possiamo usarlo per variare l'attrito di un fattore tre, mentre la vera area di contatto cambia appena, " lui dice.
"In altre parole, non è solo il materiale stesso" che determina come scorre, ma anche la sua condizione al contorno, compreso se è sciolto e rugoso o piatto e teso, lui dice. E questi principi si applicano non solo al grafene ma anche ad altri materiali bidimensionali, come il bisolfuro di molibdeno, nitruro di boro, o altri materiali di un singolo atomo o di una singola molecola.
"Potenzialmente, un contatto meccanico mobile potrebbe essere usato come un modo per realizzare ottimi interruttori di potenza in piccoli dispositivi elettronici, " dice Li. Ma questo è ancora lontano; mentre il grafene è un materiale promettente ampiamente studiato, "stiamo ancora aspettando di vedere decollare l'elettronica al grafene e l'elettronica 2-D. È un campo emergente".
