Atomistiska simuleringar visar att kort, kapslade enkelväggiga kolnanorör (röda) kan belysa de tribologiska egenskaperna hos grafenytor. Kredit:2011 Elsevier
Att studera mikroskopiska interaktioner vid enstaka ojämnheter är avgörande för förståelsen av friktion och smörjning på makroskala. Ytsondsinstrument med kolnanorörsspetsar kan möjliggöra sådana undersökningar, som nu visas i en teoretisk studie som leds av Ping Liu och Yong-Wei Zhang vid A*STAR Institute of High Performance Computing. Forskarna visade att kort, enväggig, med begränsade kolnanorör kan fånga friktionsegenskaperna hos grafen med atomupplösning.
"För ett perfekt sonderingstips, dess dimension bör vara så liten som möjligt, dess styvhet bör vara så stor som möjligt, dess geometri bör vara väldefinierad, och det ska vara kemiskt inert, ” förklarar Liu. Kombinationen av sådana egenskaper skulle möjliggöra ytkarakterisering med atomupplösning samtidigt som man säkerställer en lång livslängd och geometriska, spetsens kemiska och fysiska stabilitet.
Kolnanorör, särskilt de korta, är av stort intresse på grund av deras inneboende starka kol-kolbindningar, vilket gör att de kan motstå buckling och böjdeformation och återgå till sin ursprungliga form efter deformation. Kapslade rör ger i sin tur förbättrad kemisk stabilitet och styvhet jämfört med rör utan lock. Dessa överväganden tyder på att korta, kapslade enkelväggiga kolnanorör kan vara idealiska avbildningssondspetsar.
Eftersom det ännu inte är möjligt att använda sådana tips i experimentuppställningar, för att testa denna hypotes utförde Liu och Zhang storskaliga atomistiska simuleringar med fokus på interaktionen mellan sådana nanorörsspetsar och grafen (se bild) – ett kolmaterial som är idealiskt för smörjning av ytbeläggningar. "På grund av framsteg i utvecklingen av exakta atomära potentialer och massiva parallella beräkningsalgoritmer, atomistiska simuleringar gör det inte bara möjligt för oss att bestämma undersökningsegenskaperna hos sådana spetsar, men också för att undersöka friktions- och defektegenskaperna hos grafen med atomär upplösning, säger Liu.
Simuleringarna kunde fånga beroendet av friktionen och genomsnittliga normala krafter på spets-till-yta-avstånd och antal grafenlager. Forskarna analyserade och tolkade de observerade egenskaperna i termer av olika typer av glidrörelser av spetsen över ytan, samt energispridningsmekanismer mellan spetsen och underliggande grafenlager. De kunde vidare identifiera tydliga signaturer som skiljer rörelsen från en spets över en punktdefekt eller den så kallade Stone-Thrower-Wales-defekten, som tros vara ansvarig för nanoskala plasticitet och spröda-duktila övergångar i grafenkolgittret. "Våra simuleringar ger insikt om friktion i nanoskala och kan ge riktlinjer för hur man kontrollerar den, säger Liu.