(Phys.org):si se afloja con un lápiz, ¿Se desliza más fácilmente? Seguro. Pero tal vez no si la punta se afila a dimensiones de nanoescala. Un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha descubierto que si el grafito (el material de la "mina" del lápiz) es lo suficientemente pegajoso, medido por una sonda a nanoescala, en realidad, se vuelve más difícil deslizar una punta por la superficie del material a medida que disminuye la presión, exactamente lo contrario de nuestra experiencia diaria.
Técnicamente, esto conduce a un "coeficiente de fricción negativo", "algo que no se ha visto anteriormente, según la líder del equipo Rachel Cannara. Grafito, Cannara explica, pertenece a una clase especial de sólidos llamados materiales "laminares", que se forman a partir de pilas de láminas bidimensionales de átomos. Las hojas son de grafeno un plano de átomos de carbono de un solo átomo de espesor que están dispuestos en un patrón hexagonal. El grafeno tiene una serie de propiedades eléctricas y materiales exóticas que lo hacen atractivo para sistemas micro y nanoelectromecánicos con aplicaciones que van desde sensores de gas y acelerómetros hasta resonadores e interruptores ópticos.
Zhao Deng, investigador postdoctoral de la Universidad de Maryland en el Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala del NIST, notó algunos datos extraños mientras experimentaba con grafito con un microscopio de fuerza atómica (AFM). Deng estaba midiendo las fuerzas de fricción en la punta a nanoescala de un AFM que recorría el grafito mientras modificaba la "pegajosidad" de la superficie al permitir que pequeñas cantidades de oxígeno se adsorbieran en la capa superior de grafeno.
Simulaciones teóricas de fricción entre grafito y sonda AFM:
Deng descubrió que cuando la fuerza adhesiva entre el grafeno y el lápiz se volvió mayor que la atracción de la capa de grafeno hacia el grafito de abajo, la reducción de la presión sobre el lápiz hizo que fuera más difícil arrastrar la punta por la superficie, una fricción diferencial negativa.
Respaldado por simulaciones teóricas realizadas por colaboradores del NIST y la Universidad de Tsinghua en Beijing, El equipo de Cannara descubrió que, después de presionar la punta AFM en la superficie de grafito, si la fuerza de atracción es lo suficientemente alta, la punta puede alejar una pequeña región localizada de la capa superficial de grafeno del material a granel, como levantar una burbuja a nanoescala de la superficie. Empujar esa deformación requiere más trabajo que deslizarse sobre una superficie plana. Por lo tanto, cada vez que los investigadores presionaron la punta del AFM contra la superficie de grafito pegajoso y luego intentaron separar los dos, midieron un aumento en la fuerza de fricción con una sensibilidad de decenas de piconewtons.
"Una vez que tengamos un modelo completo que describa cómo estas láminas de grafeno se deforman bajo cargas repetidas y deslizamientos a nanoescala, en la que estamos trabajando ahora, la microscopía de fuerza de fricción puede ser la forma más directa de medir la energía que une estos materiales en capas. Y, ya que no es destructivo, la medición se puede realizar en dispositivos de trabajo, ", Dice Cannara. Comprender cómo las hojas interactúan entre sí y con otras partes de un dispositivo ayudaría a cuantificar la energía necesaria para producir hojas individuales a partir de material a granel, evaluar el funcionamiento del dispositivo, y ayudar a formular nuevas estructuras basadas en materiales en capas, ella dice.
