Friktionen på en grafenyta kan ställas in dynamiskt med hjälp av externa elektriska fält, enligt forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign ledd av professor Rosa Espinosa-Marzal vid institutionen för civil- och miljöteknik. Arbetet beskrivs i detalj i artikeln "Dynamic tuning friction at the graphene interface using the field effect", publicerad 19 september 2023, i tidskriften Nature Communications .
Friktion spelar en nyckelroll i både naturliga och tekniska system, som bland annat dikterar beteendet hos glidkontakter, påverkar slitaget på material och påverkar vätskeflödet över ytor. Friktion kan styras passivt genom val av designkomponenter, till exempel material och grovhet.
En nyare trend har dock varit att undersöka system vars friktionsrespons kan ställas in dynamiskt på plats, särskilt när mikro- och nanoskalaenheter blir vanligare. En av de mer lovande vägarna för att uppnå friktionskontroll är med externa elektriska fält som kan modulera egenskaperna hos smörjmedel och materialytor samt växelverkan mellan dem.
"Nya tillvägagångssätt för utformningen av interagerande ytor är nödvändiga för att gå förbi den senaste tekniken", skriver forskarna, "och 2D-material är ett nytt och utmärkt val baserat på deras höga mekaniska styrka och kemiska och termiska stabilitet."
Grafen är 2D-formen av kol och hyllas ibland som ett "undermaterial" på grund av dess unika och superlativa egenskaper. Ytor belagda i grafenfilmer uppvisar i allmänhet mycket låg friktion, men de nya resultaten visar att friktion på grafenbelagda ytor kan "aktiveras" genom att exponera ytan för ett elektriskt fält under lämpliga förhållanden. Systemet kan sedan styras i detta högre friktionsläge innan det växlas tillbaka till lägre friktion, allt utan att anbringa stora elektriska förspänningar mellan ytorna i kontakt.
"Arbetet kommer att vara effektfullt för att minska energiförbrukningen i nano- och mikroelektromekaniska system, förutom att tillåta dynamisk kontroll av friktionen samtidigt som det minskar det förbättrade slitaget och korrosionen av glidytor när direkt förspänning appliceras," sa Espinosa-Marzal.
Mer information: Gus Greenwood et al, Dynamisk justering av friktionen vid grafengränssnittet med hjälp av fälteffekten, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41375-7
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering
