Magneteen: grafeenachtig 2D-materiaal maakt gebruik van kwantumeffecten om ultralage wrijving te bereiken

Een team van onderzoekers van University of Toronto Engineering en Rice University hebben de eerste metingen gerapporteerd van het gedrag van ultralage wrijving van een materiaal dat bekend staat als magneteen. De resultaten wijzen de weg naar strategieën voor het ontwerpen van vergelijkbare materialen met lage wrijving voor gebruik in verschillende gebieden, waaronder kleine, implanteerbare apparaten.

Magneteen is een 2D-materiaal, wat betekent dat het is samengesteld uit een enkele laag atomen. In dit opzicht is het vergelijkbaar met grafeen, een materiaal dat sinds de ontdekking in 2004 intensief is bestudeerd vanwege zijn ongebruikelijke eigenschappen, waaronder ultralage wrijving.

“De meeste 2D-materialen worden gevormd als platte platen”, zegt Ph.D. kandidaat Peter Serles, de hoofdauteur van het nieuwe artikel dat vandaag is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang.

“De theorie was dat deze vellen grafeen wrijvingsarm gedrag vertonen omdat ze slechts zeer zwak aan elkaar gehecht zijn en heel gemakkelijk langs elkaar schuiven. Je kunt het je voorstellen als het uitwaaieren van een pak speelkaarten: het kost niet veel moeite om spreid het kaartspel uit omdat de wrijving tussen de kaarten erg laag is.”

Het team, dat bestaat uit professoren Tobin Filleter en Chandra Veer Singh, postdoc Shwetank Yadav en verschillende huidige en afgestudeerde studenten van hun laboratoriumgroepen, wilde deze theorie testen door grafeen te vergelijken met andere 2D-materialen.

Terwijl grafeen is gemaakt van koolstof, is magneteen gemaakt van magnetiet, een vorm van ijzeroxide, dat normaal gesproken bestaat als een 3D-rooster. De medewerkers van het team aan de Rice University behandelden 3D-magnetiet met behulp van hoogfrequente geluidsgolven om voorzichtig een laag te scheiden die uit slechts een paar vellen 2D-magneteen bestaat.

Het Engineering-team van de Universiteit van Toronto plaatste de magneteenvellen vervolgens in een atoomkrachtmicroscoop. In dit apparaat wordt een sonde met een scherpe punt over de bovenkant van het magneteenblad gesleept om de wrijving te meten. Het proces is vergelijkbaar met hoe de stylus van een platenspeler over het oppervlak van een vinylplaat wordt gesleept.

“De bindingen tussen de lagen magneteen zijn veel sterker dan tussen een stapel grafeenplaten”, zegt Serles. “Ze schuiven niet langs elkaar. Wat ons verbaasde was de wrijving tussen de punt van de sonde en het bovenste plakje magneteen: het was net zo laag als in grafeen.”

Tot nu toe hadden wetenschappers de lage wrijving van grafeen en andere 2D-materialen toegeschreven aan de theorie dat de platen kunnen schuiven omdat ze alleen zijn gebonden door zwakke krachten die bekend staan ​​als Van der Waals-krachten. Maar het wrijvingsarme gedrag van magneteen, dat deze krachten niet vertoont vanwege zijn structuur, suggereert dat er iets anders aan de hand is.

“Als je van een 3D-materiaal naar een 2D-materiaal gaat, beginnen er door de effecten van de kwantumfysica veel ongewone dingen te gebeuren”, zegt Serles. “Afhankelijk van de hoek waarin je het plakje snijdt, kan het heel glad of heel ruw zijn. De atomen zijn niet langer zo beperkt in die derde dimensie, dus ze kunnen op verschillende manieren trillen. En de elektronenstructuur verandert ook. We ontdekten dat alle van deze samen beïnvloeden de wrijving.”

Het team bevestigde de rol van deze kwantumverschijnselen door hun experimentele resultaten te vergelijken met die voorspeld door computersimulaties. Yadav en Singh construeerden wiskundige modellen op basis van Density Functional Theory om het gedrag te simuleren van de sondetip die over het 2D-materiaal glijdt. De modellen waarin de kwantumeffecten waren verwerkt, waren de beste voorspellers van de experimentele waarnemingen.

Serles zegt dat het praktische resultaat van de bevindingen van het team is dat ze nieuwe informatie bieden voor wetenschappers en ingenieurs die opzettelijk materialen met ultralage wrijving willen ontwerpen. Dergelijke stoffen kunnen nuttig zijn als smeermiddelen in verschillende kleinschalige toepassingen, waaronder implanteerbare apparaten.

Je zou je bijvoorbeeld een klein pompje kunnen voorstellen dat een gecontroleerde hoeveelheid van een bepaald medicijn aan een bepaald deel van het lichaam afgeeft. Andere soorten micro-elektromechanische systemen kunnen de energie van een kloppend hart oogsten om een ​​sensor van stroom te voorzien, of een kleine robotmanipulator aandrijven die in staat is om het ene type cel van het andere te scheiden in een petrischaal.

“Als je te maken hebt met zulke kleine bewegende delen, is de verhouding tussen oppervlakte en massa erg hoog”, zegt Filleter, corresponderende auteur van de nieuwe studie. “Dat betekent dat de kans veel groter is dat dingen vastlopen. Wat we in dit werk hebben laten zien, is dat deze 2D-materialen juist vanwege hun kleine schaal zo’n lage wrijving hebben. Deze kwantumeffecten zouden niet van toepassing zijn op grotere 3D-materialen .”

Serles zegt dat deze schaalafhankelijke effecten, gecombineerd met het feit dat ijzeroxide niet-toxisch en goedkoop is, magneteen zeer aantrekkelijk maakt voor gebruik in implanteerbare mechanische apparaten. Maar hij voegt eraan toe dat er meer werk aan de winkel is voordat het kwantumgedrag volledig wordt begrepen.

“We hebben dit geprobeerd met andere soorten op ijzer gebaseerde 2D-materialen, zoals hematene of chromiteen, en we zien niet dezelfde kwantumsignaturen of gedrag met lage wrijving”, zegt hij. “Dus we moeten ons afvragen waarom deze kwantumeffecten plaatsvinden, wat ons zou kunnen helpen meer opzettelijk te zijn over het ontwerp van nieuwe soorten materialen met lage wrijving.”