Ett team av nanoteknikforskare från University of Pennsylvania och Columbia University har använt friktionskraftsmikroskopi för att bestämma friktionsegenskaperna i nanoskala hos fyra atomärt tunna material, upptäcka en universell egenskap för dessa mycket olika material. Friktionen över dessa tunna ark ökar när antalet atomlager minskar, ända ner till ett lager av atomer. Denna friktionsökning var överraskande eftersom det tidigare inte fanns någon teori för att förutsäga detta beteende.

Fyndet avslöjar en viktig princip för dessa material, som används i stor utsträckning som fasta smörjmedelsfilmer i kritiska tekniska tillämpningar och är ledande utmanare för framtida elektronik i nanoskala.

Forskare fann att friktionen gradvis ökade när antalet lager minskar på alla fyra materialen, oavsett hur olika materialen kan bete sig kemiskt, elektroniskt eller i bulk. Dessa mätningar, stöds av datormodellering, tyder på att trenden uppstår från det faktum att ju tunnare material desto mer flexibelt är det, precis som ett enda pappersark är mycket lättare att böja än en tjock kartong.

Robert Carpick, professor vid institutionen för maskinteknik och tillämpad mekanik vid Penn, och James Hone, professor vid institutionen för maskinteknik i Columbia, ledde projektet i samarbete.

Teamet testade nanoribologiska, eller friktionsegenskaper i nanoskala, av grafen, molybdendisulfid (MoS ₂ ), hexagonal-BN (h-BN) och niobdiselenid (NbSe ₂ ) ner till enstaka atomark. Teamet rakade bokstavligen bort mängder av varje material i atomär skala på ett kiseloxidsubstrat och jämförde sina resultat med bulkmotsvarigheterna. Varje material uppvisade samma grundläggande friktionsbeteende trots att de hade elektroniska egenskaper som varierar från metalliskt till halvledande till isolerande.

"Vi kallar den här mekanismen, vilket leder till högre friktion på tunnare plåt, "rynkningseffekten", "" sa Carpick. "Interatomiska krafter, som van der Waals-styrkan, orsaka attraktion mellan atomarket och nanoskalaspetsen på atomkraftmikroskopet som mäter friktion på nanometerskala."

Eftersom arket är så tunt - i vissa prover bara en atom tjock - böjer det sig mot spetsen, skapa en rynkig form och öka interaktionsområdet mellan spetsen och arket, vilket ökar friktionen. När spetsen börjar glida, arket deformeras ytterligare när det deformerade området delvis dras längs med spetsen, krusar framkanten av kontaktytan. Tjockare ark kan inte böjas lika lätt eftersom de är mycket styvare, så friktionsökningen är mindre uttalad.

Forskarna fann att ökningen av friktionen kunde förhindras om atomplåtarna var starkt bundna till substratet. Om materialet deponerades på lägenheten, högenergiyta av glimmer, ett naturligt förekommande mineral, effekten försvinner. Friktionen förblir densamma oavsett antalet lager eftersom arken är starkt fastklistrade på glimmern, och inga rynkningar kan förekomma.

"Nanoteknik undersöker hur material beter sig annorlunda när de krymper till nanometerskalan, Hone sa. "På en grundläggande nivå, det är spännande att hitta ännu en egenskap som förändras i grunden när ett material blir mindre."

Resultaten kan också ha praktiska konsekvenser för utformningen av nanomekaniska enheter som använder grafen, vilket är ett av de starkaste materialen man känner till. Det kan också hjälpa forskare att förstå det makroskopiska beteendet hos grafit, MoS ₂ och BN, som används som vanliga smörjmedel för att minska friktion och slitage i maskiner och apparater.