grafen, en tvådimensionell form av kol i ark bara en atom i tjocklek, har varit föremål för omfattande forskning, till stor del på grund av sin unika kombination av styrka, elektrisk konduktivitet, och kemisk stabilitet. Men trots många års studier, vissa av grafens grundläggande egenskaper är fortfarande inte välförstådda, inklusive hur det beter sig när något glider längs ytan.

Nu, med kraftfulla datorsimuleringar, forskare vid MIT och på andra håll har gjort betydande framsteg för att förstå den processen, inklusive varför friktionen varierar när föremålet som glider på det rör sig framåt, istället för att förbli konstant som den gör med de flesta andra kända material.

Resultaten presenteras denna vecka i tidskriften Natur , i ett papper av Ju Li, professor i kärnvetenskap och teknik och i materialvetenskap och teknik vid MIT, och sju andra vid MIT, University of Pennsylvania, och universitet i Kina och Tyskland.

Grafit, ett bulkmaterial som består av många lager av grafen, är ett välkänt fast smörjmedel. (Med andra ord, som olja, det kan tillsättas mellan kontaktande material för att minska friktionen.) Ny forskning tyder på att även ett eller några lager grafen också kan ge effektiv smörjning. Detta kan användas i småskaliga termiska och elektriska kontakter och andra nanoskalaenheter. I sådana fall, en förståelse av friktionen mellan två grafenbitar, eller mellan grafen och annat material, är viktigt för att upprätthålla en bra el, termisk, och mekanisk anslutning. Forskare hade tidigare funnit att medan ett lager grafen på en yta minskar friktionen, att ha några till var ännu bättre. Dock, orsaken till detta var inte väl förklarad tidigare, säger Li.

"Det finns den här breda uppfattningen inom tribologi att friktion beror på den verkliga kontaktytan, "Li säger - det vill säga, området där två material verkligen är i kontakt, ner till atomär nivå. Den "sanna" kontaktytan är ofta avsevärt mindre än den annars skulle tyckas vara om den observerades i större skalor. Att bestämma den verkliga kontaktytan är viktigt för att förstå inte bara graden av friktion mellan delarna, men också andra egenskaper som elektrisk ledning eller värmeöverföring.

Till exempel, förklarar medförfattaren Robert Carpick vid University of Pennsylvania, "När två delar i en maskin kommer i kontakt, som två tänder av stålkugghjul, den faktiska mängden stål i kontakt är mycket mindre än det verkar, eftersom växeltänderna är grova, och kontakt sker endast vid de översta utskjutande punkterna på ytorna. Om ytorna polerades för att bli plattare så att dubbelt så mycket yta var i kontakt, friktionen skulle då vara dubbelt så hög. Med andra ord, friktionskraften fördubblas om den verkliga arean av direktkontakt fördubblas."

Men det visar sig att situationen är ännu mer komplex än vad forskarna hade trott. Li och hans kollegor fann att det också finns andra aspekter av kontakten som påverkar hur friktionskraften överförs över den. "Vi kallar detta kvaliteten på kontakt, i motsats till mängden kontakt som mäts av området "verklig kontakt", " förklarar Li.

Experimentella observationer hade visat att när ett objekt i nanoskala glider längs ett enda lager av grafen, friktionskraften ökar faktiskt till en början, innan den så småningom planade ut. Denna effekt minskar och den utjämnade friktionskraften minskar när man glider på fler och fler grafenark. Detta fenomen sågs även i andra skiktade material inklusive molybdendisulfid. Tidigare försök att förklara denna variation i friktion, inte sett i något annat än dessa tvådimensionella material, hade kommit till korta.

För att bestämma kvaliteten på kontakten, det är nödvändigt att veta den exakta positionen för varje atom på var och en av de två ytorna. Kvaliteten på kontakten beror på hur väl inriktade atomkonfigurationerna är i de två ytorna i kontakt, och på synkroniseringen av dessa anpassningar. Enligt datorsimuleringarna, dessa faktorer visade sig vara viktigare än det traditionella måttet för att förklara materialens friktionsbeteende, enligt Li.

"Du kan inte förklara ökningen av friktion" när materialet börjar glida "bara med kontaktytan, " säger Li. "De flesta av förändringarna i friktion beror faktiskt på förändringar i kvaliteten på kontakten, inte den sanna kontaktytan." Forskarna fann att glidningen gör att grafenatomer får bättre kontakt med föremålet som glider längs det; denna ökning av kontaktkvaliteten leder till ökad friktion när glidningen fortsätter och så småningom planar ut. Effekten är stark för ett enda lager av grafen eftersom grafen är så flexibel att atomerna kan flytta till platser med bättre kontakt med spetsen.

Ett antal faktorer kan påverka kvaliteten på kontakten, inklusive styvhet på ytorna, lätta krökningar, och gasmolekyler som kommer in mellan de två fasta skikten, säger Li. Men genom att förstå hur processen fungerar, Ingenjörer kan nu vidta specifika åtgärder för att ändra det friktionsbeteendet för att matcha en viss avsedd användning av materialet. Till exempel, "prewrinkling" av grafenmaterialet kan ge det mer flexibilitet och förbättra kontaktkvaliteten. "Vi kan använda det för att variera friktionen med en faktor tre, medan den verkliga kontaktytan knappt förändras, " han säger.

"Med andra ord, det är inte bara materialet i sig" som avgör hur det glider, men också dess gränstillstånd – inklusive om det är löst och skrynkligt eller platt och sträckt, han säger. Och dessa principer gäller inte bara grafen utan även andra tvådimensionella material, såsom molybdendisulfid, bornitrid, eller andra enkelatomer eller enkelmolekyltjocka material.

"Potentiellt, en rörlig mekanisk kontakt kan användas som ett sätt att göra mycket bra strömbrytare i små elektroniska enheter, "Säger Li. Men det är fortfarande några avstånd; medan grafen är ett lovande material som studeras i stor utsträckning, "vi väntar fortfarande på att se grafenelektronik och 2D-elektronik ta fart. Det är ett framväxande område."