(Phys.org) – Ett tvärvetenskapligt team av ingenjörer från University of Pennsylvania har gjort en upptäckt angående grafenens ytegenskaper, det nobelprisvinnande materialet som består av ett atomärt tunt ark av kolatomer.

På makroskalan, att tillsätta fluoratomer till kolbaserade material gör det vattenavvisande, non-stick ytor, som teflon. Dock, på nanoskala, tillsats av fluor till grafen hade rapporterats avsevärt öka friktionen när man glider mot materialet.

Genom en kombination av fysiska experiment och atomistiska simuleringar, Penn-teamet har upptäckt mekanismen bakom detta överraskande fynd, vilket skulle kunna hjälpa forskare att bättre utforma och kontrollera ytornas egenskaper hos nya material.

Forskningen leddes av postdoktorn Qunyang Li, doktorand Xin-Zhou Liu och Robert Carpick, professor och ordförande för institutionen för maskinteknik och tillämpad mekanik vid Penns School of Engineering and Applied Science. De samarbetade med Vivek Shenoy, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik. Penn-kontingenten arbetade också med forskare från Naval Research Laboratory och Brown University.

Verket publicerades i Nanobokstäver .

Förutom dess tillämpningar inom kretsar och sensorer, grafen är av intresse som en superstark beläggning. När komponenter i mekaniska och elektriska system blir mindre, de blir allt mer mottagliga för slitage. Består av färre atomer än deras makroskaliga motsvarigheter, varje atom är så mycket viktigare för komponentens övergripande struktur och funktion.

"En av de viktigaste felmekanismerna för dessa småskaliga enheter är friktion och vidhäftning, " sa Liu. "Eftersom grafen är så starkt, tunn och slät, en av dess potentiella tillämpningar är att minska friktionen och öka livslängden för dessa enheter. Vi ville bättre förstå de grundläggande mekanismerna för hur tillsatsen av andra atomer påverkar friktionen av grafen."

Tillägget av fluoratomer till grafens kolgitter ger en spännande kombination när det kommer till dessa egenskaper.

"Generellt, " Carpick sa, "fluor gör ytor mer vattenavvisande och non-stick. Gore-Tex och Teflon, till exempel, få sina egenskaper från fluor. Teflon är en fluorerad kolpolymer, så vi trodde att fluorerad grafen kunde vara som tvådimensionell teflon."

För att testa friktionsegenskaperna hos detta material, Penn-forskarna samarbetade med Paul Sheehan och Jeremy Robinson från Naval Research Laboratory. Sheehan och Robinson var de första som upptäckte fluorerad grafen och är experter på att ta fram prover av materialet enligt specifikation.

"Detta innebar att vi systematiskt kunde variera graden av fluorering i våra grafenprover och kvantifiera den exakt, ", sa Liu. "Det lät oss göra exakta jämförelser när vi testade friktionen hos dessa olika prover med ett atomkraftmikroskop, ett ultrakänsligt instrument som kan mäta nanonewtonkrafter."

Forskarna blev förvånade över att upptäcka att tillsats av fluor till grafen ökade materialets friktion men inte omedelbart kunde förklara vilken mekanism som är ansvarig. En annan grupp forskare hade samtidigt gjort samma observation; de visade också att tillsatsen av fluor ökade styvheten hos grafenproverna och antog att detta var ansvarigt för den ökade friktionen.

Penn -forskarna, dock, trodde att en annan mekanism måste fungera. De vände sig till Shenoy, vars expertis är att utveckla atomskala simuleringar av mekanisk verkan, för att hjälpa till att förklara vad tillsatsen av fluor gjorde på grafenens yta.

"Vi har inget mikroskop som kan visualisera vad som händer i denna lilla skala, "Shenoy sa, "men det finns få tillräckligt med atomer för att vi kan modellera hur de beter sig med en hög grad av noggrannhet."

"Det visar sig att genom att tillsätta fluor, " sa Liu, "vi förändrar grafenens energikorrugeringslandskap. Vi introducerar i huvudsak elektronisk grovhet, som på nanoskala, kan fungera som fysisk strävhet i ökande friktion."

I fluorerad grafen, fluoratomerna sticker upp ur kolatomplanet, men de fysiska förändringarna i höjd bleknade i jämförelse med förändringarna av lokal energi som varje fluoratom producerade.

"På nanoskala, " Carpick sa, "friktion bestäms inte bara av atomernas placering utan också hur mycket energi som finns i deras bindningar. Varje fluoratom har så mycket elektronisk laddning att du får höga toppar och djupa dalar mellan dem, jämfört med det jämna planet för vanlig grafen. Man kan säga att det är som att försöka glida över en slät väg kontra en ojämn väg. "

Utöver implikationen för grafens beläggningsapplikationer, teamets resultat ger grundläggande insikter om grafens ytegenskaper.

"Varje material interagerar med världen genom dess yta, "Carpick sa, "så förstå och manipulera ytegenskaper - friktion, adhesion, interaktioner med vatten, katalys - är stora, pågående områden av vetenskaplig forskning. Att se att fluor ökar friktionen i grafen är inte nödvändigtvis en dålig sak, eftersom det kan ge oss ett sätt att skräddarsy den egenskapen till en given applikation. Det kommer också att hjälpa oss att förstå hur tillägg av andra element, som väte eller syre, kan påverka dessa egenskaper."