Ilustración esquemática y representación a escala atómica de una punta de sílice AFM que se desliza hacia arriba y hacia abajo en un borde de grafeno de una sola capa sobre una superficie de grafito atómicamente plana. El modelo de punta de sílice representa el óxido nativo en el vértice de la punta de Si AFM utilizada en el estudio experimental. Este sistema modelo permite estudios tanto experimentales como computacionales que aíslan los orígenes químicos y físicos de la fricción. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0513
La fricción resulta de un conjunto de procesos complejos que actúan juntos para resistir el movimiento relativo. A pesar de esta complejidad, La fricción se describe a menudo usando expresiones fenomenológicas simples que relacionan las fuerzas normales y laterales a través del coeficiente de fricción. El parámetro definido abarca múltiples, a veces efectos contrapuestos. Para comprender mejor los orígenes de la fricción, Zhe Chen y un equipo interdisciplinario de investigadores en los departamentos de ingeniería química, La ingeniería mecánica y la investigación de materiales estudiaron una interfaz química y topográficamente bien definida entre sílice y grafito utilizando una configuración de borde escalonado de grafeno de una sola capa.
El equipo de investigación identificó las contribuciones separadas de los procesos físicos y químicos a la fricción y mostró que un único coeficiente de fricción podría separarse en dos términos correspondientes a estos efectos. Los resultados proporcionaron información sobre los orígenes químicos y topográficos de la fricción como una vía de ajuste de superficies al aprovechar los procesos de fricción en competencia. Los hallazgos ahora se publican en Avances de la ciencia .
La fricción ocurre en la interfaz entre dos superficies sólidas cualesquiera en contacto y se mueven a diferentes velocidades o direcciones. Dado que la fricción puede corresponder a energía desperdiciada, los científicos utilizan el parámetro para determinar la eficiencia y la vida útil de todos los sistemas en movimiento, desde el biológico al aeronáutico. Fuerza de fricción ( F F ) es a menudo linealmente proporcional a la carga aplicada ( L ) a microescala y la proporcionalidad de esta relación, conocido como el coeficiente de fricción (COF) se simboliza por µ y se expresa como la ley de Amonton.
Fuerzas adhesivas (F a ) puede llegar a ser significativo a nanoescala para introducir un término adicional para los mecanismos moleculares de tribología en películas delgadas. Si bien la expresión es fenomenológicamente simple y ha tenido valor en experimentos durante décadas, los mecanismos reales para determinar la magnitud del COF son muy complicados. Los físicos habían propuesto previamente que la fricción tenía un origen puramente físico con procesos químicos relacionados que ocurren en superficies deslizantes. Pero la interacción en la fricción observada hasta ahora solo se comprende mal, ya que la fricción se asocia típicamente con el desgaste de la superficie únicamente. En el presente trabajo, por lo tanto, Chen y col. utilizaron una interfaz química y topográficamente bien definida para identificar las contribuciones de los procesos físicos y químicos a la fricción sin tener en cuenta el desgaste de la superficie para obtener información fundamental sobre el origen del COF (coeficiente de fricción) que se informa con frecuencia pero que no se comprende bien.
Vistas frontal y lateral de la caja de simulación MD. La caja tiene condiciones de contorno periódicas en las direcciones X e Y. Los cuadros discontinuos indican las regiones en las que los átomos se tratan como un cuerpo rígido (violeta) o se fijan en su lugar (rojo y azul). Las flechas verdes muestran la trayectoria del desplazamiento de la punta durante la carga (movimiento hacia abajo) y el deslizamiento (movimiento lateral). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0513.
Los científicos utilizaron un sistema modelo que contiene una sonda de microscopía de fuerza atómica (AFM) hecha de silicio conocida como punta de sílice. y una superficie de grafito con un borde escalonado de grafeno de una sola capa. El plano basal del grafito proporcionó una superficie plana químicamente inerte y sin defectos. La hoja de grafeno expuesta en la parte superior era proporcional a la capa subyacente, proporcionando una superficie topográficamente menos ondulada para las pruebas de fricción. El sistema experimental contenía un borde escalonado de grafeno de una sola capa en la superficie de grafito, para proporcionar una topografía bien definida con un cambio de altura de 0,34 nm a lo largo de una distancia correspondiente a la longitud de un enlace químico para formar un paso atómico. El equipo de investigación modeló el mismo sistema utilizando simulaciones de dinámica molecular reactiva (MD), recreando el vértice de la punta de sílice en las capas superiores de grafeno en el grafito, cerca del borde del escalón. Permitieron estudios computacionales y experimentales del cizallamiento interfacial de una superficie de sílice en una superficie atómicamente plana, y en una característica química o topográficamente bien definida en el escalón, durante el estudio. El modelo experimental coincidió con la simulación computacional para proporcionar información sobre los orígenes de la fricción a nivel atómico.
Fuerza lateral (líneas continuas) y perfil de altura (líneas discontinuas) medidos en el borde del escalón de grafeno con una punta AFM de sílice. La fuerza normal aplicada a la punta fue de 36,7 nN, y la velocidad de deslizamiento fue de 500 nm / s. En la dirección ascendente, la fuerza lateral positiva significa que el borde del escalón de grafeno se resiste al deslizamiento de la punta. En la dirección de reducción, la fuerza lateral negativa es resistente al deslizamiento de la punta y la fuerza positiva (o desviación hacia arriba de la tendencia negativa) es de asistencia al deslizamiento de la punta. El recuadro es la imagen topográfica AFM del borde del escalón de grafeno obtenida después de repetidas mediciones de fricción a fuerzas normales aplicadas que varían de 7,3 a 36,7 nN (fig. S3A); la imagen posterior al escaneo no muestra daños en la región probada por fricción (línea blanca). La altura del borde del escalón es de 0,34 nm, correspondiente a la suma del grosor de una capa de grafeno y el espaciado entre capas entre capas de grafeno adyacentes. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0513.
Durante las mediciones del borde del escalón de grafeno con una punta AFM de sílice, el equipo de investigación obtuvo un COF de aproximadamente 0,1, cercano al valor observado en varias superficies bajo pruebas de deformación elástica. Durante la reducción en la configuración basada en la punta de AFM, Chen y col. observaron respuestas de fricción más complicadas en las que la fricción fluctuaba durante los cambios de altura topográfica. Los cambios observados no se correspondían únicamente con la topografía, pero el equipo no pudo diferenciar los efectos químicos y físicos en el sistema. Para explorar estos orígenes, analizaron la fricción en función de la carga y observaron la dependencia de la carga de la fricción en la terraza de grafito y en el borde del escalón de grafeno tanto de estudios experimentales como de simulaciones. Los resultados confirmaron que las simulaciones proporcionaron información atómica sobre los procesos interfaciales de los comportamientos de fricción complejos. Cuantificaron el COF en el sistema con fricción de carga para aislar las contribuciones químicas y físicas. El equipo de investigación utilizó la información a escala atómica observada en las simulaciones para obtener información adicional.
Para cuantificar las contribuciones físicas a la fricción en la simulación MD reactiva, los científicos utilizaron por primera vez la deformación cortante de la punta de sílice. Luego cuantificaron las contribuciones químicas utilizando el número de enlaces de hidrógeno formados entre la punta de sílice y la superficie del grafito durante el experimento. No observaron interacciones físicas o químicas significativas cuando la punta de sílice se deslizó a través del plano basal de grafito. que utilizaron para explicar la superlubricidad experimental de COF calculada (~ 0,003) en el estudio. Sin embargo, durante el aumento atómico, los mecanismos físicos (deformación) y químicos (enlace de hidrógeno) mejoran sinérgicamente la resistencia al deslizamiento, haciendo que el COF sea 100 veces mayor en el aumento atómico que en el plano basal del grafito. Los científicos registraron observaciones similares para la fuerza resistiva reductora debido a las interacciones de los enlaces de hidrógeno.
Dependencia de la carga de la fuerza de fricción y COF correspondiente. (A) Fuerza de fricción medida con la punta de sílice AFM bajo varias cargas normales aplicadas. El step-up resistivo, reductor resistivo, y se determinan las fuerzas de asistencia reductoras. La media y la DE se calcularon a partir de valores de múltiples mediciones, donde cada medición implicó un promedio de más de 128 escaneos. Las DE de los valores experimentales son similares o menores que el tamaño de los símbolos. (B) Fuerza de fricción calculada a partir de simulaciones MD reactivas. Tenga en cuenta que, para el caso reductor, una fuerza lateral de asistencia positiva corresponde a una fuerza de fricción negativa. (C) COF calculado a partir de la dependencia de la carga de la fuerza de fricción, que es la pendiente de las rectas de ajuste de mínimos cuadrados en (A) y (B). La barra de error en (C) indica la incertidumbre en la pendiente calculada. Debido a que la fuerza de fricción para los casos de resistencia reductora y de asistencia reductora disminuye a medida que aumenta la carga aplicada, se obtiene un COF negativo. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0513.
De este modo, Zhe Chen y sus compañeros de trabajo utilizaron COF y simulaciones MD juntos, para proporcionar información sobre los orígenes físicos y químicos de la fricción. Alcanzaron superlubricidad en la configuración experimental cuando la tensión inducida por la topografía y el entrelazado, así como los enlaces químicos en el plano de corte fueron insignificantes. El equipo observó una gran fricción en la configuración cuando el paso por encima del borde del escalón de grafeno de 0,34 nm de alto causó efectos físicos combinados de la topografía y los efectos químicos debido a la unión interfacial. Durante el movimiento descendente en los experimentos, el cambio topográfico negativo produjo una fuerza para ayudar al movimiento de deslizamiento, mientras que los enlaces químicos entre las superficies en movimiento opuesto produjeron una fuerza resistiva. El equipo de investigación demostró que equilibrar estos dos componentes podría determinar si la fricción y el COF en un sistema experimental eran, en última instancia, positivos o negativos.
Simulación de MD reactiva que muestra los orígenes de los efectos químicos y físicos sobre la fricción. (A y B) Fuerza lateral, (C y D) deformación cortante de los átomos en la sílice donde el signo indica la dirección relativa al deslizamiento, y (E y F) número de enlaces de hidrógeno formados entre el borde del escalón de grafeno y la sílice, calculado a partir de simulaciones en función de la posición del centro de masa de la punta con respecto al borde del paso de grafeno para (A, C, y E) step-up y (B, D, y F) reducción. La carga normal aplicada a la punta de sílice es de 10 nN, y la velocidad de deslizamiento es de 10 m / s. El cambio de altura topográfica medido con el centro de masa de la superficie del mostrador se muestra con líneas discontinuas en (A) y (B) en el eje y secundario. Las áreas de fondo blanco y gris son las terrazas inferior y superior, respectivamente. También se muestran las instantáneas de la tensión de cizallamiento de los átomos en la sílice y los enlaces de hidrógeno que unen dos superficies en tres ubicaciones tanto para subir como para bajar. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw0513.
Los resultados explicaron la dificultad de lograr superlubricidad en superficies atómicamente rugosas, a menos que las características de la superficie topográfica fueran químicamente inertes. En total, los hallazgos sugieren la posibilidad de ajustar el COF con características topográficas prescritas y grupos químicos preestablecidos. Si bien el concepto no mejora de inmediato las aplicaciones industriales de la fricción, proporciona una visión fundamental de los orígenes químicos y topográficos de la fricción y, por lo tanto, es una promesa significativa para futuros avances científicos en la minimización de la resistencia en las interfaces tribológicas. Chen y col. Imagine que el trabajo abrirá posibilidades de fricción sintonizable en física aplicada.
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