(Phys.org) —Un equipo interdisciplinario de ingenieros de la Universidad de Pensilvania ha hecho un descubrimiento sobre las propiedades superficiales del grafeno, el material ganador del premio Nobel que consiste en una hoja atómicamente delgada de átomos de carbono.

En la macroescala, agregar átomos de flúor a materiales a base de carbono hace que sea repelente al agua, superficies antiadherentes, como el teflón. Sin embargo, en la nanoescala, Se ha informado que la adición de flúor al grafeno aumenta enormemente la fricción experimentada al deslizarse contra el material.

Mediante una combinación de experimentos físicos y simulaciones atomísticas, el equipo de Penn ha descubierto el mecanismo detrás de este sorprendente hallazgo, lo que podría ayudar a los investigadores a diseñar y controlar mejor las propiedades de la superficie de nuevos materiales.

La investigación fue dirigida por el investigador postdoctoral Qunyang Li, estudiante de posgrado Xin-Zhou Liu y Robert Carpick, profesor y presidente del Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn. Colaboraron con Vivek Shenoy, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. El contingente de Penn también trabajó con investigadores del Laboratorio de Investigación Naval y la Universidad de Brown.

El trabajo fue publicado en Nano letras .

Además de sus aplicaciones en circuitos y sensores, el grafeno es interesante como recubrimiento superresistente. A medida que los componentes de los sistemas mecánicos y eléctricos se hacen más pequeños, son cada vez más susceptibles al desgaste. Compuesto por menos átomos que sus contrapartes a macroescala, cada átomo es mucho más importante para la estructura y función general del componente.

"Uno de los principales mecanismos de falla de estos dispositivos a pequeña escala es la fricción y la adhesión, "Dijo Liu." Debido a que el grafeno es tan fuerte, delgado y liso, una de sus aplicaciones potenciales es reducir la fricción y aumentar la vida útil de estos dispositivos. Queríamos comprender mejor los mecanismos fundamentales de cómo la adición de otros átomos influye en la fricción del grafeno ".

La adición de átomos de flúor a la red de carbono del grafeno crea una combinación intrigante cuando se trata de esas propiedades.

"Generalmente hablando, "Carpick dijo, "el flúor hace que las superficies sean más repelentes al agua y antiadherentes. Gore-Tex y teflón, por ejemplo, obtienen sus propiedades del flúor. El teflón es un polímero de carbono fluorado, así que pensamos que el grafeno fluorado podría ser como el teflón bidimensional ".

Para probar las propiedades de fricción de este material, los investigadores de Penn colaboraron con Paul Sheehan y Jeremy Robinson del Laboratorio de Investigación Naval. Sheehan y Robinson fueron los primeros en descubrir el grafeno fluorado y son expertos en producir muestras del material según las especificaciones.

"Esto significó que pudimos variar sistemáticamente el grado de fluoración en nuestras muestras de grafeno y cuantificarlo con precisión, "Dijo Liu." Eso nos permitió hacer comparaciones precisas cuando probamos la fricción de estas diferentes muestras con un microscopio de fuerza atómica, un instrumento ultrasensible que puede medir fuerzas de nanonewton ".

Los investigadores se sorprendieron al descubrir que la adición de flúor al grafeno aumentaba la fricción del material, pero no podían explicar de inmediato el mecanismo responsable. Otro grupo de investigadores había hecho simultáneamente la misma observación; también demostraron que la adición de flúor aumentaba la rigidez de las muestras de grafeno y plantearon la hipótesis de que esto era responsable del aumento de la fricción.

Los investigadores de Penn, sin embargo, pensaba que otro mecanismo debía estar funcionando. Se volvieron hacia Shenoy, cuya experiencia es el desarrollo de simulaciones a escala atómica de acción mecánica, para ayudar a explicar qué estaba haciendo la adición de flúor a la superficie del grafeno.

"No tenemos un microscopio que pueda visualizar lo que está sucediendo a esta pequeña escala, "Shenoy dijo, "pero hay pocos átomos que podamos modelar cómo se comportan con un alto grado de precisión".

"Resulta que al agregar flúor, "Liu dijo, "Estamos cambiando el panorama de la ondulación energética del grafeno. Básicamente, estamos introduciendo la rugosidad electrónica, que a nanoescala, puede actuar como aspereza física al aumentar la fricción ".

En grafeno fluorado, los átomos de flúor sobresalen del plano de los átomos de carbono, pero los cambios físicos de altura palidecían en comparación con los cambios de energía local que producía cada átomo de flúor.

"A nanoescala, "Carpick dijo, "La fricción no solo está determinada por la ubicación de los átomos, sino también por la cantidad de energía que hay en sus enlaces. Cada átomo de flúor tiene tanta carga electrónica que se obtienen picos altos y valles profundos entre ellos, en comparación con el plano liso del grafeno regular. Se podría decir que es como intentar deslizarse por una carretera suave en lugar de una carretera llena de baches ".

Más allá de las implicaciones para las aplicaciones de recubrimiento de grafeno, Los hallazgos del equipo brindan información fundamental sobre las propiedades de la superficie del grafeno.

"Cada material interactúa con el mundo a través de su superficie, "Carpick dijo, "para comprender y manipular las propiedades de la superficie:fricción, adhesión, interacciones con el agua, catálisis - son importantes, áreas de investigación científica en curso. Ver que el flúor aumenta la fricción en el grafeno no es necesariamente algo malo, ya que puede darnos una forma de adaptar esa propiedad a una aplicación determinada. También nos ayudará a comprender cómo la adición de otros elementos, como hidrógeno u oxígeno, podría influir en esas propiedades ".