摩擦也能具有各向异性?巴西研究员发现石墨烯的新特性!

对于晶体材料来说,各向异性再普通不过,但你听说过摩擦也有各向异性吗?日前,巴西的科学家们发现,石墨烯材料因其独特的结构,竟然具备摩擦各向异性。让我们一睹为快!

对于晶体材料来说,各向异性再普通不过,但你听说过摩擦也有各向异性吗?日前,巴西的科学家们发现,石墨烯材料因其独特的结构,竟然具备摩擦各向异性。让我们一睹为快!

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原子力显微镜尖端下观察到的石墨烯片变形情况

石墨烯是当今研究最为广泛的材料之一,而造成其研究热度只增不减的原因也很简单:石墨烯材料中单层碳原子排列组成重复的二维蜂窝状六边形,这一结构使其具有厚度小、质量轻以及强度高等特性。不仅如此,由于该材料的透明性好、柔韧度高、导热导电能力强且生产成本低,它的应用前景可谓是广阔无垠。

迄今为止,针对石墨烯材料,科研人员开展的研究工作不计其数。尽管如此,就在不久前,巴西研究人员才刚刚发现该材料的一个新性能。他们将这一发现发表在Springer Nature出版的网络期刊Scientific Reports上。

诚如这一文章的标题所说:“在纳米尺度的摩擦上,石墨烯具有高度可调控的各向异性”。通过原子力显微镜的多角度观察,研究人员发现了石墨烯具有高度的摩擦各向异性。

材料的各向异性将导致其不同方位上的性能有所不同。“观察显示,显微镜尖端与石墨烯片层之间的摩擦力在很大程度上取决于观测角度”,论文的作者之一,物理学家Douglas Soares Galvão在Agência FAPESP的一次访谈中如是说道。

“通过扶手椅型曲线散失的能量比通过锯齿型曲线散失的能量高出80%之多。”

Galvão是巴西SãoPaulo州坎皮斯那州立大学物理研究所的正教授,计算工程与科学研究中心的研究员以及资助基金会建立的研究、创新和传播中心的17名研究员之一。

扶手椅型和锯齿型曲线是有关于石墨烯材料边缘几何的结晶条件,也是这一研究的两个主要方向。

论文第一作者、物理学家Clara Muniz da Silva Almeida说道,“对于石墨,晶体几何方向由摩擦力模式下的原子力显微镜决定,我们用这一手段确定石墨烯片层的方向并对纳米尺度的摩擦力进行检测。”

Almeida领导着国家计量研究所材料计量分所的原子力显微镜实验室,该实验室以Duque de Caxias, Rio de Janeiro 州的Xerém学校为基础。

据该文所述,摩擦力的显著各向异性以及由其引起的不同方向的能量耗散情况着实令人吃惊,原因在于石墨烯材料线性弹性性质的各向异性。在石墨,其实也就是石墨烯片堆叠而成的材料中,不同晶体方向之间的能量耗散有可以预见微小差异。然而,研究员们的实验观测结构却与这一预见不尽相同:就能量的耗散来说,两个不同方向之间的检测结果竟能高达80%。

Galvão 说:“这要归因于显微镜尖端引起石墨烯片层发生变形,而在不同方位上,这一变形的放大程度均有不同,从而导致摩擦力的差异。打个简单的比方,我们用熨斗对布料进行熨烫,布料上便会形成褶皱。两种现象有相似之处。”

“我们震惊地发现,随着石墨烯片层数量的增加,摩擦力也成比例地增加。这一现象同样能用熨衣服的例子作比。当多层布料层层叠加时,就会形成熨烫也不会变形的刚性结构。同样,在包含了多层石墨烯的石墨材料中,变形也是微乎其微的。然而,当石墨烯片层数目缩减至一时,变形就相当大了。”

对于Almeida来说,“在显微镜尖端作用下,石墨烯片层产生的弯曲变形决定了不同方向上的波动。相比较扶手椅型方向,这一波动更容易沿着锯齿型方向扩展。”

这样说来,好像不难理解。然而,为了解释实验发现的这种差异性,研究人员不得不结合三种强有力的理论模型:用以解释原子尺度摩擦机制的Prandtl-Tomlinson模型、原子的分子动力学模型以及量子力学衍生出的密度泛函理论。

研究人员表示,通过经典的纳米尺度的“欧拉失稳”现象,我们可以这一现象的作用机理进行理解。伟大的瑞士数学家兼物理学家Leonhard Euler (1707-83)因屈曲临界载荷公式而在结构工程界享有盛名。

石墨烯因其独特的电、热及机械性能而成为下一代电子元件和纳机电系统生产的备选材料。要想真正将其用于这些领域,就要对石墨烯及其他二维材料机械和摩擦性能机理有一定深度的理解(摩擦学包括相对运动中相互作用表面之间的设计、摩擦、穿戴及润滑)。

Almeida强调说,“这种各向异性是纳米电磁系统建立的关键因素,原因在于系统的设计需要晶体取向的先验知识。绝大多数情况下,石墨烯等二维材料的性质与三维结构材料大不相同,石墨就是例子。”

Almeida在巴西国家计量协会的团队于2010年开始进行石墨烯的研究。自彼时起,他们便专注于石墨烯缺陷测量,利用原子力显微镜进行石墨烯片层晶体取向观察并用其控制石墨烯,以期制备出新型纳米结构,得到了如今石墨烯纳米摩擦领域的重大进展。

原文链接:Brazilian Researchers Discover Unexpected Property of Graphene

论文地址:Giant and Tunable Anisotropy of Nanoscale Friction in Graphene

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