Grafeno una forma bidimensional de carbono en láminas de un solo átomo de espesor, ha sido objeto de una amplia investigación, en gran parte debido a su combinación única de fuerza, conductividad eléctrica, y estabilidad química. Pero a pesar de muchos años de estudio, Algunas de las propiedades fundamentales del grafeno aún no se comprenden bien, incluida la forma en que se comporta cuando algo se desliza a lo largo de su superficie.

Ahora, utilizando potentes simulaciones por ordenador, Los investigadores del MIT y otros lugares han logrado avances significativos en la comprensión de ese proceso, incluyendo por qué la fricción varía a medida que el objeto que se desliza sobre él avanza, en lugar de permanecer constante como lo hace con la mayoría de los otros materiales conocidos.

Los hallazgos se presentan esta semana en la revista Naturaleza , en un artículo de Ju Li, profesor de ciencia e ingeniería nucleares y de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, y otros siete en el MIT, la Universidad de Pensilvania, y universidades en China y Alemania.

Grafito, un material a granel compuesto por muchas capas de grafeno, es un lubricante sólido conocido. (En otras palabras, como el aceite, se puede agregar entre los materiales en contacto para reducir la fricción). Investigaciones recientes sugieren que incluso una o unas pocas capas de grafeno también pueden proporcionar una lubricación eficaz. Esto se puede utilizar en contactos térmicos y eléctricos a pequeña escala y otros dispositivos a nanoescala. En esos casos, una comprensión de la fricción entre dos piezas de grafeno, o entre el grafeno y otro material, es importante para mantener una buena electricidad, térmico, y conexión mecánica. Los investigadores habían descubierto anteriormente que, si bien una capa de grafeno en una superficie reduce la fricción, tener unas cuantas más era incluso mejor. Sin embargo, la razón de esto no fue bien explicada antes, Dice Li.

"Existe esta noción amplia en tribología de que la fricción depende del área de contacto real, "Li dice, es decir, el área donde dos materiales están realmente en contacto, hasta el nivel atómico. El área de contacto "verdadera" es a menudo sustancialmente más pequeña de lo que parecería ser si se observara a escalas de mayor tamaño. Determinar el área de contacto real es importante para comprender no solo el grado de fricción entre las piezas, pero también otras características como la conducción eléctrica o la transferencia de calor.

Por ejemplo, explica el coautor Robert Carpick de la Universidad de Pennsylvania, "Cuando dos partes de una máquina hacen contacto, como dos dientes de engranajes de acero, la cantidad real de acero en contacto es mucho menor de lo que parece, porque los dientes del engranaje son rugosos, y el contacto solo ocurre en los puntos sobresalientes más altos de las superficies. Si las superficies se pulieran para que fueran más planas de modo que el doble de área estuviera en contacto, la fricción sería entonces el doble. En otras palabras, la fuerza de fricción se duplica si el área real de contacto directo se duplica ".

Pero resulta que la situación es incluso más compleja de lo que pensaban los científicos. Li y sus colegas descubrieron que también hay otros aspectos del contacto que influyen en cómo se transfiere la fuerza de fricción a través de él. "A esto lo llamamos la calidad del contacto, a diferencia de la cantidad de contacto medida por el área de 'contacto verdadero', "Li explica.

Las observaciones experimentales habían demostrado que cuando un objeto a nanoescala se desliza a lo largo de una sola capa de grafeno, la fuerza de fricción realmente aumenta al principio, antes de estabilizarse finalmente. Este efecto disminuye y la fuerza de fricción nivelada disminuye al deslizarse sobre más y más láminas de grafeno. Este fenómeno también se observó en otros materiales estratificados, incluido el disulfuro de molibdeno. Intentos anteriores de explicar esta variación en la fricción, no visto en nada más que estos materiales bidimensionales, se había quedado corto.

Para determinar la calidad del contacto, es necesario conocer la posición exacta de cada átomo en cada una de las dos superficies. La calidad del contacto depende de qué tan bien alineadas estén las configuraciones atómicas en las dos superficies en contacto, y sobre la sincronía de estos alineamientos. Según las simulaciones por computadora, Estos factores resultaron ser más importantes que la medida tradicional para explicar el comportamiento de fricción de los materiales, según Li.

"No se puede explicar el aumento de la fricción" cuando el material comienza a deslizarse "solo por el área de contacto, "Li dice." La mayor parte del cambio en la fricción se debe en realidad al cambio en la calidad del contacto, no es el área de contacto real ". Los investigadores encontraron que el acto de deslizamiento hace que los átomos de grafeno hagan un mejor contacto con el objeto que se desliza a lo largo de él; este aumento en la calidad del contacto conduce al aumento de la fricción a medida que avanza el deslizamiento y finalmente se nivela. El efecto es fuerte para una sola capa de grafeno porque el grafeno es tan flexible que los átomos pueden moverse a lugares de mejor contacto con la punta.

Varios factores pueden afectar la calidad del contacto, incluida la rigidez de las superficies, ligeras curvaturas, y moléculas de gas que se interponen entre las dos capas sólidas, Dice Li. Pero al comprender la forma en que funciona el proceso, Los ingenieros ahora pueden tomar pasos específicos para alterar ese comportamiento de fricción para que coincida con un uso específico del material. Por ejemplo, El "prearrugado" del material de grafeno puede darle más flexibilidad y mejorar la calidad del contacto. "Podemos usar eso para variar la fricción en un factor de tres, mientras que el área de contacto real apenas cambia, " él dice.

"En otras palabras, no es solo el material en sí "lo que determina cómo se desliza, sino también su condición de contorno, incluido si está suelto y arrugado o plano y tenso, él dice. Y estos principios se aplican no solo al grafeno sino también a otros materiales bidimensionales, como el disulfuro de molibdeno, nitruro de boro, u otros materiales de un solo átomo o de una sola molécula de espesor.

"Potencialmente, un contacto mecánico en movimiento podría usarse como una forma de hacer muy buenos interruptores de energía en pequeños dispositivos electrónicos, ", Dice Li. Pero eso todavía está lejos; mientras que el grafeno es un material prometedor que se está estudiando ampliamente, "Todavía estamos esperando ver despegar la electrónica de grafeno y la electrónica de 2-D. Es un campo emergente".