Скользкий, когда состоит из нескольких слоев: теоретики количественно оценили трение графена

Подобно тому, как мостовая, смягченная жарким солнцем, замедляет движение машины, графен, толщиной в один атом углерода, с поразительными свойствами, замедляет объект, скользящий по его поверхности. Но сложите несколько листов графена, и он станет более скользким, утверждают теоретики из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST), которые разработали новое программное обеспечение для оценки трения материала.

"Я думаю что, никто не ожидает, что графен будет вести себя, как поверхность трехмерного материала, но наша модель в первый раз объясняет различия на атомном уровне", говорит постдокторский исследователь NIST Алекс Смоляницкий (Alex Smolyanitsky), который написал программу моделирования и является соавтором нового исследования. "Если люди хотят использовать графен в качестве твердой смазки или даже как часть гибких электродов, это важная работа".

При сворачивании, скатывании или сложении слоями, графен становится очень крепким и имеет необычные электронные и оптические свойства. Материал может использоваться в приложениях, начиная от электронных схем для солнечных батарей до «смазки» движущихся частей наноразмерных устройств.

Трение является силой, которая препятствует скольжению двух поверхностей относительно друг друга. Изучение трения на атомном уровне является задачей, разрешимой только в последние несколько лет. Программное обеспечение NIST моделирует атомно-силовую микроскопию (АСМ, англ. atomic force microscopy, AFM), с использованием методов молекулярной динамики. Программа использовалась для измерения того, что происходит, когда моделируемая игла АСМ движется по слою графена, состоящего из одного и до четырех листов графена, при различной скорости движения.

Исследователи обнаружили, что графен прогибается под наконечником АСМ. Локализованные временные деформации создают трение качения, сила, которая оказывает сопротивление объекту круглой формы, катящемуся по поверхности. Этот эффект Смоляницкий сравнивает с плавлением и размягчением мостовой под открытым солнцем, в результате чего автомобильные шины немного увязают и замедляются. Результаты NIST согласуются с данными последних экспериментов графена другими исследовательскими группами, но предоставляют новые количественные данные.

Самое главное, исследование NIST показывает, почему трение уменьшается с каждым листом графена добавленным в слой (скорость движения также оказывает влияние на трение). С меньшим количеством слоев, верхний слой отклоняется больше, и трение увеличивается. Верхняя поверхность становится менее податливой и более скользкой, когда графеновые слои складываются. С другой стороны, трение трехмерного материала, подобного графиту, практически не зависит от деформации и трения качения, и должно вместо этого нагреться движущимся наконечником.