Las fuerzas interatómicas provocan la atracción entre la hoja atómica y la punta a nanoescala del microscopio de fuerza atómica. Las hojas delgadas se desvían hacia la punta, por lo tanto, aumenta la fricción. Cuando la punta comienza a deslizarse, la hoja se deforma más a medida que el área deformada se tira parcialmente junto con la punta. La escala de colores de los átomos indica qué tan lejos se han movido los átomos hacia arriba (rojo) o hacia abajo (azul) desde sus posiciones originales. Las hojas más gruesas no se pueden desviar tan fácilmente porque son mucho más rígidas, por lo que el aumento de la fricción es menos pronunciado, coherente con las mediciones del estudio. Crédito:Universidad de Pensilvania y Ciencias
Un equipo de investigadores en nanotecnología de la Universidad de Pennsylvania y la Universidad de Columbia ha utilizado microscopía de fuerza de fricción para determinar las características de fricción a nanoescala de cuatro materiales atómicamente delgados. descubriendo una característica universal para estos materiales tan diferentes. La fricción a través de estas láminas delgadas aumenta a medida que disminuye el número de capas atómicas, todo el camino hasta una capa de átomos. Este aumento de la fricción fue sorprendente ya que anteriormente no existía una teoría para predecir este comportamiento.
El hallazgo revela un principio significativo para estos materiales, que se utilizan ampliamente como películas de lubricantes sólidos en aplicaciones críticas de ingeniería y son los principales competidores para la electrónica a nanoescala del futuro.
Los investigadores encontraron que la fricción aumentaba progresivamente a medida que se reducía el número de capas en los cuatro materiales, independientemente de cuán diferentes puedan comportarse químicamente los materiales, electrónicamente o en grandes cantidades. Estas medidas, apoyado por modelado por computadora, sugieren que la tendencia surge del hecho de que cuanto más delgado es un material, más flexible es, al igual que una sola hoja de papel es mucho más fácil de doblar que un trozo de cartón grueso.
Robert Carpick, profesor en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada de Penn, y James Hone, profesor en el Departamento de Ingeniería Mecánica de Columbia, lideró el proyecto de manera colaborativa.
El equipo probó el nanotribológico, o propiedades de fricción a nanoescala, de grafeno, disulfuro de molibdeno (MoS 2 ), hexagonal-BN (h-BN) y diselenuro de niobio (NbSe 2 ) hasta hojas atómicas individuales. El equipo literalmente recortó cantidades a escala atómica de cada material en un sustrato de óxido de silicio y comparó sus hallazgos con sus contrapartes a granel. Cada material exhibió el mismo comportamiento de fricción básico a pesar de tener propiedades electrónicas que varían desde metálicas hasta semiconductoras y aislantes.
"A este mecanismo lo llamamos lo que conduce a una mayor fricción en láminas más delgadas, el 'efecto de arrugamiento, ", Dijo Carpick." Fuerzas interatómicas, como la fuerza de van der Waals, causar atracción entre la hoja atómica y la punta a nanoescala del microscopio de fuerza atómica que mide la fricción a escala nanométrica ".
Debido a que la hoja es tan delgada, en algunas muestras solo un átomo de espesor, se desvía hacia la punta, haciendo una forma arrugada y aumentando el área de interacción entre la punta y la hoja, lo que aumenta la fricción. Cuando la punta comienza a deslizarse, la hoja se deforma aún más a medida que el área deformada se tira parcialmente junto con la punta, ondulando el borde frontal del área de contacto. Las hojas más gruesas no se pueden desviar tan fácilmente porque son mucho más rígidas, por lo que el aumento de la fricción es menos pronunciado.
Los investigadores encontraron que el aumento de la fricción podría evitarse si las hojas atómicas estuvieran fuertemente unidas al sustrato. Si los materiales se depositaran sobre el piso, superficie de mica de alta energía, un mineral natural, el efecto desaparece. La fricción sigue siendo la misma independientemente del número de capas porque las hojas están fuertemente adheridas a la mica, y no se pueden producir arrugas.
"La nanotecnología examina cómo los materiales se comportan de manera diferente a medida que se encogen a la escala nanométrica, ", Dijo Hone." En un nivel fundamental, es emocionante encontrar otra propiedad que cambia fundamentalmente a medida que un material se hace más pequeño ".
Los resultados también pueden tener implicaciones prácticas para el diseño de dispositivos nanomecánicos que utilizan grafeno, que es uno de los materiales más fuertes conocidos. También puede ayudar a los investigadores a comprender el comportamiento macroscópico del grafito, MoS 2 y BN, que se utilizan como lubricantes comunes para reducir la fricción y el desgaste en máquinas y dispositivos.
