(Phys.org) - Om du lättar på en penna, glider det lättare? Säker. Men kanske inte om spetsen skärps ner till nanoskala dimensioner. Ett team av forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har upptäckt att om grafit (materialet i blyert "bly") är tillräckligt klibbigt, mätt med en nanoskala sond, det blir faktiskt svårare att skjuta en spets över materialets yta när du minskar trycket - raka motsatsen till vår vardagliga upplevelse.
Tekniskt, detta leder till en effektivt "negativ friktionskoefficient, "något som inte tidigare har setts, enligt lagledaren Rachel Cannara. Grafit, Cannara förklarar, är en av en särskild klass av fasta ämnen som kallas "lamellära" material, som bildas av staplar av tvådimensionella ark med atomer. Arken är grafen, ett enkelatomtjockt kol av kolatomer som är arrangerade i ett sexkantigt mönster. Graphene har ett antal exotiska elektriska och materialegenskaper som gör det attraktivt för mikro- och nanoelektromekaniska system med applikationer som sträcker sig från gassensorer och accelerometrar till resonatorer och optiska switchar.
Zhao Deng, postdoktor vid University of Maryland vid NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, noterade några udda data under experiment med grafit med ett atomkraftmikroskop (AFM). Deng mätte friktionskrafterna på nanoskala av en AFM -spårning över grafiten när han modifierade ytans "klibbighet" genom att låta små mängder syre adsorbera till det översta grafenskiktet.
Teoretiska simuleringar av friktion mellan grafit och AFM -prob:
Deng fann att när vidhäftningskraften mellan grafen och pennan blev större än grafenlagrets attraktion för grafiten nedan, att minska trycket på pennan gjorde det svårare att dra spetsen över ytan - en negativ differentialfriktion.
Uppbackad av teoretiska simuleringar utförda av medarbetare från NIST och Tsinghua University i Peking, Cannaras team fann att efter att AFM -spetsen har pressats in i grafitytan, om attraktionskraften är tillräckligt hög, spetsen kan dra ett litet lokaliserat område av ytskiktet av grafen bort från bulkmaterialet, som att lyfta en nanoskala från ytan. Att driva den deformationen tar mer arbete än att glida över en plan yta. Därför, när forskarna pressade AFM -spetsen mot den klibbiga grafitytan och sedan försökte dra isär de två, de mätte en ökning av friktionskraften med en känslighet i tiotals piconewton.
"När vi väl har en komplett modell som beskriver hur dessa grafenark deformeras vid upprepad laddning och glidning i nanoskala - som vi arbetar med nu - kan friktionskraftsmikroskopi vara det mest direkta sättet att mäta energin som binder samman dessa skiktade material. Och, eftersom det är oförstörande, mätningen kan utföras på arbetsanordningar, "Säger Cannara. Att förstå hur arken interagerar med varandra och med andra delar av en enhet skulle hjälpa till att kvantifiera energin som krävs för att producera enskilda ark från bulkmaterial, utvärdera enhetens funktion, och hjälpa till att formulera nya strukturer baserade på skiktade material, hon säger.
