Un team di ricercatori dell'Università di Toronto Engineering e della Rice University ha riportato le prime misurazioni del comportamento a bassissimo attrito di un materiale noto come magnetene. I risultati indicano la strada verso strategie per la progettazione di materiali simili a basso attrito per l'uso in una varietà di campi, inclusi piccoli dispositivi impiantabili.

Il magnetene è un materiale 2D, il che significa che è composto da un singolo strato di atomi. Sotto questo aspetto, è simile al grafene, un materiale che è stato studiato a fondo per le sue proprietà insolite, compreso il bassissimo attrito, sin dalla sua scoperta nel 2004.

"La maggior parte dei materiali 2D sono formati come fogli piatti", afferma il dottorato di ricerca. candidato Peter Serles, che è l'autore principale del nuovo articolo pubblicato oggi su Science Advances .

"La teoria era che questi fogli di grafene mostrassero un comportamento a basso attrito perché sono legati solo molto debolmente e scivolano l'uno sull'altro molto facilmente. Puoi immaginarlo come aprire a ventaglio un mazzo di carte da gioco:non ci vuole molto sforzo per allarga il mazzo perché l'attrito tra le carte è davvero basso."

Il team, che comprende i professori Tobin Filleter e Chandra Veer Singh, il post-doc Shwetank Yadav e diversi studenti attuali e laureati dei loro gruppi di laboratorio, ha voluto testare questa teoria confrontando il grafene con altri materiali 2D.

Mentre il grafene è fatto di carbonio, il magnetene è fatto di magnetite, una forma di ossido di ferro, che normalmente esiste come un reticolo 3D. I collaboratori del team della Rice University hanno trattato la magnetite 3D utilizzando onde sonore ad alta frequenza per separare accuratamente uno strato costituito solo da pochi fogli di magnetene 2D.

Il team di ingegneria dell'Università di Toronto ha quindi inserito i fogli di magnetene in un microscopio a forza atomica. In questo dispositivo, una sonda a punta affilata viene trascinata sopra il foglio di magnetene per misurare l'attrito. Il processo è paragonabile al modo in cui lo stilo di un giradischi viene trascinato sulla superficie di un disco in vinile.

"I legami tra gli strati di magnetene sono molto più forti di quanto lo sarebbero tra una pila di fogli di grafene", afferma Serles. "Non scivolano l'uno accanto all'altro. Ciò che ci ha sorpreso è stato l'attrito tra la punta della sonda e la fetta più alta di magnetene:era basso quanto lo è nel grafene".

Finora, gli scienziati avevano attribuito il basso attrito del grafene e di altri materiali 2D alla teoria secondo cui i fogli possono scivolare perché sono legati solo da forze deboli note come forze di Van der Waals. Ma il comportamento a basso attrito del magnetene, che non mostra queste forze a causa della sua struttura, suggerisce che sta succedendo qualcos'altro.

"Quando si passa da un materiale 3D a un materiale 2D, iniziano ad accadere molte cose insolite a causa degli effetti della fisica quantistica", afferma Serles. "A seconda dell'angolo in cui tagli la fetta, può essere molto liscia o molto ruvida. Gli atomi non sono più così limitati in quella terza dimensione, quindi possono vibrare in modi diversi. E cambia anche la struttura elettronica. Abbiamo scoperto che tutti di questi insieme influiscono sull'attrito."

Il team ha confermato il ruolo di questi fenomeni quantistici confrontando i loro risultati sperimentali con quelli previsti dalle simulazioni al computer. Yadav e Singh hanno costruito modelli matematici basati sulla teoria funzionale della densità per simulare il comportamento della punta della sonda che scivola sul materiale 2D. I modelli che incorporavano gli effetti quantistici erano i migliori predittori delle osservazioni sperimentali.

Serles afferma che il risultato pratico delle scoperte del team è che offrono nuove informazioni a scienziati e ingegneri che desiderano progettare intenzionalmente materiali a bassissimo attrito. Tali sostanze potrebbero essere utili come lubrificanti in varie applicazioni su piccola scala, compresi i dispositivi impiantabili.

Ad esempio, si potrebbe immaginare una piccola pompa che fornisce una quantità controllata di un determinato farmaco a una determinata parte del corpo. Altri tipi di sistemi microelettromeccanici potrebbero raccogliere l'energia di un cuore pulsante per alimentare un sensore o alimentare un minuscolo manipolatore robotico in grado di separare un tipo di cellula da un altro in una capsula di Petri.

"Quando hai a che fare con parti mobili così piccole, il rapporto tra superficie e massa è davvero alto", afferma Filleter, autore corrispondente del nuovo studio. "Ciò significa che è molto più probabile che le cose si blocchino. Quello che abbiamo dimostrato in questo lavoro è che è proprio a causa della loro piccola scala che questi materiali 2D hanno un attrito così basso. Questi effetti quantistici non si applicherebbero a materiali 3D più grandi ."

Serles afferma che questi effetti dipendenti dalla scala, combinati con il fatto che l'ossido di ferro non è tossico e poco costoso, rende il magnetene molto interessante per l'uso in dispositivi meccanici impiantabili. Ma aggiunge che c'è ancora molto lavoro da fare prima che i comportamenti quantistici siano completamente compresi.

"L'abbiamo provato con altri tipi di materiali 2D a base di ferro, come l'ematene o il cromitene, e non vediamo le stesse firme quantistiche o il comportamento a basso attrito", afferma. "Quindi dobbiamo concentrarci sul motivo per cui si verificano questi effetti quantistici, il che potrebbe aiutarci a essere più intenzionali sulla progettazione di nuovi tipi di materiali a basso attrito". + Esplora ulteriormente

Modellazione dell'attrito tra le pagine di un libro