Nanorör – mikroskopiska cylindrar i form av sugrör, men bara en tusendels diameter av ett människohår – har varit föremål för intensiv forskning, med potentiella användningsområden allt från solceller till kemiska sensorer till förstärkta kompositmaterial. Merparten av forskningen har fokuserat på kolnanorör, men andra nanorörs egenskaper verkar vara liknande.

Så det var ganska oväntat när Lydéric Bocquet, en gästprofessor vid MIT:s institution för civil- och miljöteknik, genomförde tester på kolnanorör (CNT) och bornitrid nanorör (BNNT) och fann att åtminstone när det gäller en nyckelegenskap, friktion, de två till synes identiska typerna av rör var inte bara olika, men nästan motsatta i sina egenskaper:CNT:er är så hala att de beskrivs som att de har en extrem form av friktionslöshet, kallas supersmörjhet. BNNTs, å andra sidan, visa en mycket hög friktionsnivå - en helt oväntad upptäckt.

Testerna utfördes i en apparat som gör att ett nanorör kan hängas upp mellan två stöd, som sedan kan dra isär den med exakt kalibrerad kraft. Rören - faktiskt en uppsättning kapslade rör, ungefär som ett gammaldags teleskop - så småningom går sönder under påfrestningen. Ett eller flera av rören kan dras ut inifrån de andra, som att förlänga teleskopet. Kraften som behövs för att dra ett rör ur det andra kan sedan mätas.

"Det var en stor överraskning - vi hittade en enorm skillnad i friktion, " säger Bocquet. Fynden beskrivs i en artikel i tidskriften Naturmaterial , medförfattare av Bocquet och fyra av hans kollegor vid Université de Lyon i Frankrike. Arbetet var en del av ett pågående samarbete, kallad MultiScale Material Science for Energy and Environment, mellan MIT och Centre National de la Recherche Scientifique i Frankrike.

Liknande element, olika effekter

Komponenterna i bornitrid - bor och kväve - flankerar kol i det periodiska systemet, så deras egenskaper tenderar att vara ganska lika, Bocquet påpekar. Medan BNNT har undersökts tidigare, materialet är "mindre känt än kolnanorör, säger han. När du studerar de två sida vid sida, han lägger till, de är i princip samma, förutom deras elektriska egenskaper:CNT är ledare eller halvledare, medan BNNT är isolatorer. Det är därför det var en chock att hitta "en enorm skillnad, även om de strukturellt i huvudsak är desamma. Det finns en dold skillnad som vi fortfarande inte helt förstår."

Det är oklart vilka praktiska tillämpningar fyndet kan ha, Bocquet säger, men han föreslår att högfriktionsrören kanske skulle kunna fungera som ett slags stötdämpande material. "Ett stort membran av det materialet skulle kunna avleda mycket energi, " säger han. Ironiskt nog, materialet har länge producerats som ett industriellt smörjmedel:Tydligen är dess bulk smörjegenskaper mycket annorlunda än mellanskiktets friktion som ses i laboratorieexperimenten.

Men Bocquet ser denna upptäckt mest som att ge en bättre förståelse för materialens grundläggande egenskaper. Hans teams arbete med att manipulera BNNTs "ger många nya tips om egenskaper hos material på nanoskala, " han säger.

Utmanande frågor

Skillnaderna mellan hur material beter sig i bulk och i nanoskala "är typiska för den typ av frågor som är utmanande nu, "Bocquet säger, men kunde i slutändan tillåta utvecklingen av nanoelektromekaniska system och enheter. "Du kan tänka dig att ta fram en sorts nanospruta, " till exempel, han säger. "På något vis, gränsen är bara fantasi."

Erio Tosatti, en professor i fysik vid International School for Advanced Studies i Trieste, Italien, som inte var kopplad till denna forskning, säger den här forskningen "visar att struktur och geometri inte är allt som spelar roll för glidavledning; jonicitet och elektroniska strukturskillnader gör det också." Han tillägger att denna rapport "sannolikt kommer att förbli som ett riktmärke mot vilket våra framtida nanofriktionsteorier kommer att behöva testas."

Förutom Bocquet, arbetet utfördes av Alessandro Siria – som tänkte ut apparaten som användes i experimentet – Antoine Nigues, Pascal Vincent, och Philippe Poncharal, hela Université de Lyon. Den fick stöd av Europeiska forskningsrådet.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.