Illustrazione schematica e rendering in scala atomica di una punta AFM in silice che scorre su e giù per un bordo del gradino di grafene a strato singolo su una superficie di grafite atomicamente piatta. Il modello della punta in silice rappresenta l'ossido nativo all'apice della punta Si AFM utilizzata nello studio sperimentale. Questo sistema modello consente studi sia sperimentali che computazionali che isolano le origini chimiche e fisiche dell'attrito. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw0513
L'attrito risulta da un insieme di processi complessi che agiscono insieme per resistere al movimento relativo. Nonostante questa complessità, l'attrito è spesso descritto utilizzando semplici espressioni fenomenologiche che mettono in relazione le forze normali e laterali tramite il coefficiente di attrito. Il parametro definito comprende più, effetti a volte concorrenti. Per comprendere meglio le origini dell'attrito, Zhe Chen e un team interdisciplinare di ricercatori nei dipartimenti di ingegneria chimica, l'ingegneria meccanica e la ricerca sui materiali hanno studiato un'interfaccia chimicamente e topograficamente ben definita tra silice e grafite utilizzando una configurazione del bordo del gradino di grafene a strato singolo.
Il team di ricerca ha identificato i contributi separati dei processi fisici e chimici all'attrito e ha mostrato che un singolo coefficiente di attrito può essere separato in due termini corrispondenti a questi effetti. I risultati hanno fornito informazioni sulle origini chimiche e topografiche dell'attrito come via per la messa a punto delle superfici sfruttando processi di attrito concorrenti. I risultati sono ora pubblicati su Progressi scientifici .
L'attrito si verifica all'interfaccia tra due superfici solide in contatto e che si muovono a velocità o direzioni diverse. Poiché l'attrito può corrispondere all'energia sprecata, gli scienziati utilizzano il parametro per determinare l'efficienza e la durata utile di tutti i sistemi in movimento, dal biologico all'aeronautico. Forza di attrito ( F F ) è spesso linearmente proporzionale al carico applicato ( l ) alla microscala e la proporzionalità di tale relazione, noto come coefficiente di attrito (COF) è simboleggiato da µ ed espresso come Legge di Amonton.
Forze adesive (F un ) può diventare significativo su scala nanometrica per introdurre un termine aggiuntivo per i meccanismi molecolari della tribologia nei film sottili. Mentre l'espressione è fenomenologicamente semplice e ha avuto valore negli esperimenti per decenni, gli attuali meccanismi di determinazione dell'entità del COF sono molto complicati. I fisici avevano precedentemente proposto che l'attrito avesse origini puramente fisiche con i relativi processi chimici che si verificano nelle superfici di scorrimento. Ma l'interazione nell'attrito osservato è stata finora solo poco compresa, poiché l'attrito è tipicamente associato alla sola usura superficiale. Nel presente lavoro, perciò, Chen et al. ha utilizzato un'interfaccia chimicamente e topograficamente ben definita per identificare i contributi dei processi fisici e chimici all'attrito senza tenere conto dell'usura superficiale per ottenere informazioni fondamentali sull'origine del COF (coefficiente di attrito) frequentemente riportato ma poco compreso.
Viste frontale e laterale del box di simulazione MD. La scatola ha condizioni al contorno periodiche nelle direzioni X e Y. Le caselle tratteggiate indicano le regioni in cui gli atomi sono trattati come un corpo rigido (viola) o fissati (rosso e blu). Le frecce verdi mostrano il percorso di spostamento della punta durante il carico (movimento verso il basso) e lo scorrimento (movimento laterale). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw0513.
Gli scienziati hanno utilizzato un sistema modello contenente una sonda per microscopia a forza atomica (AFM) in silicio denominata punta di silice, e una superficie in grafite con un bordo del gradino in grafene a strato singolo. Il piano basale della grafite ha fornito una superficie piana chimicamente inerte e priva di difetti. Il foglio di grafene esposto in alto era proporzionato allo strato sottostante, fornire una superficie topograficamente meno ondulata per le prove di attrito. Il sistema sperimentale conteneva un bordo del gradino in grafene a strato singolo sulla superficie della grafite, fornire una topografia ben definita con una variazione di altezza di 0,34 nm su una distanza corrispondente a una lunghezza di legame chimico per formare un gradino atomico. Il team di ricerca ha modellato lo stesso sistema utilizzando simulazioni di dinamica molecolare reattiva (MD), ricreando l'apice della punta di silice sugli strati più alti di grafene nella grafite, vicino al bordo del gradino. Hanno permesso studi computazionali e sperimentali del taglio interfacciale di una superficie di silice su una superficie atomicamente piatta, e su una caratteristica chimicamente o topograficamente ben definita al passaggio, durante lo studio. Il modello sperimentale concordava con la simulazione computazionale per fornire informazioni sulle origini dell'attrito a livello atomico.
Forza laterale (linee continue) e profilo in altezza (linee tratteggiate) misurate sul bordo del gradino in grafene con una punta AFM in silice. La forza normale applicata alla punta era 36,7 nN, e la velocità di scorrimento era di 500 nm/s. Nella direzione del passo avanti, la forza laterale positiva significa che il bordo del gradino in grafene resiste allo scorrimento della punta. Nella direzione discendente, la forza laterale negativa è resistente allo scorrimento della punta e la forza positiva (o deviazione verso l'alto dalla tendenza negativa) è di aiuto allo scorrimento della punta. L'inserto è l'immagine topografica AFM del bordo del gradino di grafene ottenuta dopo ripetute misurazioni di attrito a forze normali applicate variabili da 7,3 a 36,7 nN (fig. S3A); l'immagine post-scansione non mostra danni alla regione sottoposta a test di attrito (linea bianca). L'altezza del bordo del gradino è di 0,34 nm, corrispondente alla somma dello spessore di uno strato di grafene e della distanza tra gli strati tra strati di grafene adiacenti. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw0513.
Durante le misurazioni del bordo del gradino in grafene con una punta AFM in silice, il team di ricerca ha ottenuto un COF di circa 0,1, prossimo al valore osservato su varie superfici nelle prove di deformazione elastica. Durante lo step-down nella configurazione basata sulla punta dell'AFM, Chen et al. osservato risposte di attrito più complicate in cui l'attrito fluttuava durante i cambiamenti di altezza topografica. I cambiamenti osservati non corrispondevano alla sola topografia, ma il team non è riuscito a differenziare gli effetti chimici e fisici nel sistema. Per esplorare queste origini, hanno analizzato l'attrito in funzione del carico e hanno osservato la dipendenza dal carico dell'attrito sulla terrazza di grafite e sul bordo del gradino di grafene sia da studi sperimentali che da simulazioni. I risultati hanno confermato che le simulazioni hanno fornito informazioni atomiche sui processi interfacciali di complessi comportamenti di attrito. Hanno quantificato il COF nel sistema con attrito portante per isolare i contributi chimici e fisici. Il team di ricerca ha utilizzato le informazioni su scala atomica osservate nelle simulazioni per ulteriori informazioni.
Per quantificare i contributi fisici all'attrito nella simulazione MD reattiva, gli scienziati hanno utilizzato per la prima volta il ceppo di taglio della punta di silice. Hanno quindi quantificato i contributi chimici utilizzando il numero di legami idrogeno formati tra la punta di silice e la superficie di grafite durante l'esperimento. Non hanno osservato interazioni fisiche o chimiche significative quando la punta di silice è scivolata sul piano basale della grafite, che hanno usato per spiegare la superlubricità sperimentale di COF calcolata (~0.003) nello studio. Però, durante lo step-up atomico, i meccanismi fisici (deformazione) e chimici (legame idrogeno) hanno potenziato sinergicamente la resistenza allo scorrimento, facendo sì che il COF diventi 100 volte maggiore all'incremento atomico rispetto al piano basale della grafite. Gli scienziati hanno registrato osservazioni simili per la forza resistiva ridotta dovuta alle interazioni dei legami idrogeno.
Dipendenza dal carico della forza di attrito e COF corrispondente. (A) Forza di attrito misurata con la punta AFM in silice sotto vari carichi normali applicati. Il resistivo step-up, resistivo step-down, e vengono determinate le forze di assistenza step-down. La media e la DS sono state calcolate da valori di misurazioni multiple, dove ogni misurazione ha coinvolto una media di oltre 128 scansioni. Le DS dei valori sperimentali sono simili o inferiori alla dimensione dei simboli. (B) Forza di attrito calcolata da simulazioni MD reattive. Notare che, per il caso step-down, una forza laterale assistiva positiva corrisponde a una forza di attrito negativa. (C) COF calcolato dalla dipendenza dal carico della forza di attrito, che è la pendenza delle linee di raccordo dei minimi quadrati in (A) e (B). La barra di errore in (C) indica l'incertezza nella pendenza calcolata. Poiché la forza di attrito per i casi di step-down resistivo e step-down assistiva diminuisce all'aumentare del carico applicato, si ottiene un COF negativo. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw0513.
In questo modo, Zhe Chen e i suoi collaboratori hanno utilizzato insieme simulazioni COF e MD, per fornire informazioni sulle origini fisiche e chimiche dell'attrito. Hanno raggiunto la superlubricità nella configurazione sperimentale quando la deformazione indotta dalla topografia e dall'incastro, così come il legame chimico sul piano di taglio erano trascurabili. Il team ha osservato un grande attrito nella configurazione quando l'aumento al di sopra del bordo del gradino di grafene alto 0,34 nm ha causato effetti fisici combinati dalla topografia ed effetti chimici dovuti al legame interfacciale. Durante il movimento step-down negli esperimenti, il cambiamento negativo della topografia ha prodotto una forza per assistere il movimento di scorrimento, mentre i legami chimici tra le superfici in movimento opposto producevano una forza resistiva. Il team di ricerca ha dimostrato che il bilanciamento di questi due componenti potrebbe determinare se l'attrito e il COF in un sistema sperimentale erano in definitiva positivi o negativi.
Simulazione MD reattiva che mostra le origini degli effetti chimici e fisici sull'attrito. (A e B) Forza laterale, (C e D) deformazione di taglio degli atomi nella silice dove il segno indica la direzione relativa allo scorrimento, e (E e F) numero di legami idrogeno formati tra il bordo del gradino di grafene e la silice, calcolato da simulazioni in funzione della posizione del baricentro della punta rispetto al bordo del gradino del grafene per (A, C, ed E) step-up e (B, D, e F) discendente. Il carico normale applicato alla punta in silice è 10 nN, e la velocità di scorrimento è 10 m/s. La variazione di altezza topografica misurata con il centro di massa della controsuperficie è mostrata con linee tratteggiate in (A) e (B) sull'asse y secondario. Le aree di sfondo bianco e grigio sono le terrazze inferiori e superiori, rispettivamente. Vengono mostrate anche le istantanee della deformazione di taglio degli atomi nella silice e dei legami idrogeno che collegano due superfici in tre posizioni sia per l'incremento che per l'abbassamento. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw0513.
I risultati hanno spiegato la difficoltà di ottenere una superlubrificazione su superfici atomicamente ruvide, a meno che le caratteristiche della superficie topografica non fossero chimicamente inerti. In totale, i risultati suggeriscono la possibilità di sintonizzare il COF con caratteristiche topografiche prescritte e gruppi chimici prestabiliti. Sebbene il concetto non migliori immediatamente le applicazioni industriali di attrito, fornisce informazioni fondamentali sulle origini chimiche e topografiche dell'attrito e quindi rappresenta una promessa significativa per i futuri progressi scientifici sulla riduzione al minimo della resistenza alle interfacce tribologiche. Chen et al. immagina che il lavoro aprirà possibilità di attrito sintonizzabile nella fisica applicata.
© 2019 Scienza X Rete
