Detta schema visar magnetens gitterstruktur, med de mörkröda sfärerna som visar järn och de ljusare röda som visar syre. Kredit:Shwetank Yadav / University of Toronto Engineering
Ett team av forskare från University of Toronto Engineering och Rice University har rapporterat de första mätningarna av beteendet med ultralåg friktion hos ett material som kallas magneten. Resultaten visar vägen mot strategier för att designa liknande lågfriktionsmaterial för användning inom en mängd olika områden, inklusive små, implanterbara enheter.
Magneten är ett 2D-material, vilket betyder att det består av ett enda lager av atomer. I detta avseende liknar det grafen, ett material som har studerats intensivt för sina ovanliga egenskaper – inklusive ultralåg friktion – sedan upptäckten 2004.
"De flesta 2D-material är formade som platta ark", säger Ph.D. kandidat Peter Serles, som är huvudförfattare till det nya dokumentet som publicerades idag i Science Advances .
"Teorin var att dessa ark av grafen uppvisar lågfriktionsbeteende eftersom de bara är mycket svagt bundna och glider förbi varandra väldigt lätt. Du kan föreställa dig det som att fläkta ut en kortlek:det krävs inte mycket ansträngning för att sprid ut leken eftersom friktionen mellan korten är väldigt låg."
Teamet, som inkluderar professorerna Tobin Filleter och Chandra Veer Singh, postdoktor Shwetank Yadav, och flera nuvarande och utexaminerade studenter från deras labbgrupper, ville testa denna teori genom att jämföra grafen med andra 2D-material.
Medan grafen är gjord av kol, är magneten gjord av magnetit, en form av järnoxid, som normalt existerar som ett 3D-gitter. Teamets medarbetare vid Rice University behandlade 3D-magnetit med hjälp av högfrekventa ljudvågor för att noggrant separera ett lager bestående av endast ett fåtal ark 2D-magneten.
University of Toronto Engineering-teamet placerade sedan magnetenarken i ett atomkraftmikroskop. I den här enheten dras en sond med skarp spets över toppen av magnetenarket för att mäta friktionen. Processen är jämförbar med hur pennan på en skivspelare dras över ytan på en vinylskiva.
Doktoranden Peter Serles placerar ett prov av magneten i atomkraftmikroskopet. Nya mätningar och simuleringar av detta material visar att dess lågfriktionsbeteende beror på kvanteffekter. Kredit:Daria Perevezentsev / University of Toronto Engineering
"Bindningarna mellan lagren av magneten är mycket starkare än de skulle vara mellan en bunt grafenark", säger Serles. "De glider inte förbi varandra. Det som förvånade oss var friktionen mellan spetsen på sonden och den översta magnetenskivan:den var lika låg som i grafen."
Fram till nu har forskare tillskrivit den låga friktionen hos grafen och andra 2D-material till teorin att arken kan glida eftersom de bara är bundna av svaga krafter som kallas Van der Waals-krafter. Men magnetens lågfriktionsbeteende, som inte uppvisar dessa krafter på grund av sin struktur, tyder på att något annat är på gång.
"När du går från ett 3D-material till ett 2D-material börjar det hända en hel del ovanliga saker på grund av kvantfysikens effekter", säger Serles. "Beroende på vilken vinkel du skär skivan kan den vara väldigt slät eller väldigt grov. Atomerna är inte längre lika begränsade i den tredje dimensionen, så de kan vibrera på olika sätt. Och elektronstrukturen förändras också. Vi fann att alla av dessa tillsammans påverkar friktionen."
Teamet bekräftade rollen av dessa kvantfenomen genom att jämföra deras experimentella resultat med de som förutspåtts av datorsimuleringar. Yadav och Singh konstruerade matematiska modeller baserade på densitetsfunktionsteori för att simulera beteendet hos sondspetsen som glider över 2D-materialet. Modellerna som inkorporerade kvanteffekterna var de bästa prediktorerna för de experimentella observationerna.
Serles säger att det praktiska resultatet av teamets resultat är att de erbjuder ny information för forskare och ingenjörer som avsiktligt vill designa material med ultralåg friktion. Sådana ämnen kan vara användbara som smörjmedel i olika småskaliga tillämpningar, inklusive implanterbara anordningar.
Till exempel skulle man kunna tänka sig en liten pump som levererar en kontrollerad mängd av ett givet läkemedel till en viss del av kroppen. Andra typer av mikro-elektromekaniska system kan skörda energin från ett bankande hjärta för att driva en sensor, eller driva en liten robotmanipulator som kan sortera en typ av cell från en annan i en petriskål.
"När du har att göra med så små rörliga delar är förhållandet mellan ytarea och massa riktigt högt", säger Filleter, motsvarande författare på den nya studien. "Det betyder att det är mycket mer sannolikt att saker fastnar. Det vi har visat i det här arbetet är att det är just på grund av deras lilla skala som dessa 2D-material har så låg friktion. Dessa kvanteffekter skulle inte gälla för större 3D-material ."
Serles säger att dessa skalberoende effekter, i kombination med det faktum att järnoxid är ogiftig och billig, gör magneten mycket attraktiv för användning i implanterbara mekaniska anordningar. Men han tillägger att det finns mer arbete att göra innan kvantbeteendena är helt förstådda.
"Vi har provat det här med andra typer av järnbaserade 2D-material, som hematen eller kromiten, och vi ser inte samma kvantsignaturer eller lågfriktionsbeteende", säger han. "Så vi måste ta reda på varför dessa kvanteffekter inträffar, vilket kan hjälpa oss att vara mer avsiktliga när det gäller utformningen av nya typer av lågfriktionsmaterial." + Utforska vidare
