Onverwachte snelheidsafhankelijke wrijving in grafeen

Grafisch abstract. Credit: Nano-brieven (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03667

Vanwege hun wrijvingsarme eigenschappen zijn materialen bestaande uit enkele atomaire lagen van groot belang voor toepassingen waarbij het doel is om wrijving te verminderen, zoals harde schijven of bewegende componenten voor satellieten of ruimtetelescopen.

Een voorbeeld hiervan is grafeen, dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen in een honingraatstructuur en wordt onderzocht met het oog op mogelijk gebruik als smeerlaag. Eerdere studies hebben inderdaad aangetoond dat een grafeenlint bijna wrijvingsloos over een gouden oppervlak kan worden bewogen.

Verrassende resultaten met een ruw oppervlak

Als grafeen wordt aangebracht op een platina-oppervlak, heeft dat een grote invloed op de meetbare wrijvingskrachten. Nu hebben natuurkundigen van de Universiteit van Basel en de Universiteit van Tel Aviv in het tijdschrift gerapporteerdNano-brievendat in dit geval de wrijving afhangt van de snelheid waarmee de punt van een atoomkrachtmicroscoop over het oppervlak wordt bewogen.

Deze bevinding is verrassend omdat wrijving niet afhankelijk is van snelheid volgens de wet van Coulomb, die van toepassing is in de macrowereld.

In combinatie met het platinasubstraat vormt grafeen niet langer alleen het hexagonale honingraatpatroon van koolstofatomen, maar vormt het superstructuren die bekend staan ​​als Moiré-superroosters. Het oppervlak is dan niet meer helemaal vlak en vertoont een zekere ruwheid.

“Als we de AFM-tip met lage snelheid over dit licht gegolfde oppervlak bewegen, meten we een zwakke en bijna constante wrijvingskracht”, legt professor Ernst Meyer van het Zwitserse Nanoscience Institute en de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel uit.

“Boven een bepaalde drempel neemt de wrijving echter toe met de snelheid van de AFM-tip”, voegt eerste auteur Dr. Yiming Song toe. “Hoe groter de Moiré-bovenbouw, hoe lager de drempel waarop de wrijving snelheidsafhankelijk wordt.”

De onderzoekers ontdekten dat er meer weerstand is bij de randen van de Moiré-bovenbouw tijdens de beweging van de punt. Deze ribbels ondergaan elastische vervorming door de duwende punt om vervolgens weer te ontspannen wanneer de druk voldoende hoog is. Dit effect resulteert in grotere wrijvingskrachten die toenemen met de snelheid van de punt. Simulaties en een analytisch model bevestigen de experimentele bevindingen van dit internationale team van onderzoekers.