Графическая абстракция. Предоставлено: Nano Letters (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03667

Из-за своих свойств с низким коэффициентом трения материалы, состоящие из отдельных атомных слоев, представляют большой интерес для приложений, целью которых является снижение трения, таких как жесткие диски или движущиеся компоненты для спутников или космических телескопов.

Одним из таких примеров является графен, который состоит из одного слоя атомов углерода в сотовой структуре и изучается с целью потенциального использования в качестве смазывающего слоя. Действительно, предыдущие исследования показали, что графеновую ленту можно перемещать по поверхности золота практически без трения.

Удивительные результаты с шероховатой поверхностью

Если графен наносится на платиновую поверхность, это оказывает значительное влияние на измеримые силы трения. Физики из Базельского и Тель-Авивского университетов сообщили в журнале Nano Letters, что в данном случае трение зависит от скорости, с которой наконечник атомно-силового микроскопа перемещается по поверхности.

Этот вывод удивителен, поскольку трение не зависит от скорости согласно закону Кулона, применимому в макромире.

В сочетании с платиновой подложкой графен больше не образует только шестиугольную сотовую структуру атомов углерода, а вместо этого образует сверхструктуры, известные как сверхрешетки муара. Поверхность становится не совсем плоской, а имеет некоторую степень шероховатости.

«Если мы перемещаем наконечник АСМ по этой слегка гофрированной поверхности с низкой скоростью, мы измеряем слабую и почти постоянную силу трения», — объясняет профессор Эрнст Мейер из Швейцарского института нанотехнологий и физического факультета Базельского университета.

«Однако выше определенного порога трение увеличивается со скоростью наконечника АСМ», — добавляет первый автор доктор Имин Сонг. «Чем больше муаровая надстройка, тем ниже порог, при котором трение становится зависящим от скорости».

Исследователи обнаружили, что гребни муаровых надстроек оказывают большее сопротивление во время движения наконечника. Эти выступы претерпевают упругую деформацию из-за толкающего наконечника, прежде чем снова расслабиться, когда давление становится достаточно высоким. Этот эффект приводит к увеличению сил трения, которые увеличиваются с увеличением скорости наконечника. Моделирование и аналитическая модель подтверждают экспериментальные данные, полученные этой международной группой исследователей.