As forças interatômicas causam atração entre a folha atômica e a ponta da escala nano do microscópio de força atômica. Folhas finas desviam em direção à ponta, aumentando assim o atrito. Quando a ponta começa a deslizar, a folha se deforma ainda mais conforme a área deformada é parcialmente puxada junto com a ponta. A escala de cores dos átomos indica o quanto os átomos se moveram para cima (vermelho) ou para baixo (azul) de suas posições originais. As folhas mais espessas não podem desviar tão facilmente porque são muito mais rígidas, então o aumento do atrito é menos pronunciado, consistente com as medições do estudo. Crédito:University of Pennsylvania and Science
Uma equipe de pesquisadores em nanotecnologia da Universidade da Pensilvânia e da Universidade de Columbia usou microscopia de força de fricção para determinar as características de fricção em nanoescala de quatro materiais atomicamente finos, descobrindo uma característica universal para esses materiais tão diferentes. O atrito entre essas folhas finas aumenta à medida que o número de camadas atômicas diminui, todo o caminho até uma camada de átomos. Esse aumento de atrito foi surpreendente, pois anteriormente não havia teoria para prever esse comportamento.
A descoberta revela um princípio significativo para esses materiais, que são amplamente utilizados como filmes de lubrificantes sólidos em aplicações críticas de engenharia e são os principais candidatos para a eletrônica em nanoescala do futuro.
Os pesquisadores descobriram que o atrito aumentou progressivamente conforme o número de camadas é reduzido em todos os quatro materiais, independentemente de quão diferentes os materiais podem se comportar quimicamente, eletronicamente ou em grandes quantidades. Essas medidas, apoiado por modelagem de computador, sugerem que a tendência surge do fato de que quanto mais fino um material, mais flexível ele é, assim como uma única folha de papel é muito mais fácil de dobrar do que um pedaço grosso de papelão.
Robert Carpick, professor do Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada da Penn, e James Hone, professor do Departamento de Engenharia Mecânica da Columbia, liderou o projeto de forma colaborativa.
A equipe testou o nanotribológico, ou propriedades de fricção em nanoescala, de grafeno, dissulfeto de molibdênio (MoS 2 ), hexagonal-BN (h-BN) e disseleneto de nióbio (NbSe 2 ) em folhas atômicas individuais. A equipe literalmente raspou quantidades em escala atômica de cada material em um substrato de óxido de silício e comparou suas descobertas com as de outras partes. Cada material exibia o mesmo comportamento básico de fricção, apesar de ter propriedades eletrônicas que variam de metálicas a semicondutoras e isolantes.
"Chamamos este mecanismo, o que leva a um maior atrito em chapas mais finas, o 'efeito de enrugamento, "", Disse Carpick. "Forças interatômicas, como a força van der Waals, causar atração entre a folha atômica e a ponta em nanoescala do microscópio de força atômica, que mede o atrito em escala nanométrica. "
Como a folha é tão fina - em algumas amostras apenas um átomo de espessura - ela desvia em direção à ponta, fazendo uma forma enrugada e aumentando a área de interação entre a ponta e a folha, o que aumenta o atrito. Quando a ponta começa a deslizar, a folha se deforma ainda mais conforme a área deformada é parcialmente puxada junto com a ponta, ondulando a borda frontal da área de contato. As folhas mais espessas não podem desviar tão facilmente porque são muito mais rígidas, portanto, o aumento do atrito é menos pronunciado.
Os pesquisadores descobriram que o aumento do atrito poderia ser evitado se as folhas atômicas estivessem fortemente ligadas ao substrato. Se os materiais foram depositados no plano, superfície de alta energia da mica, um mineral natural, o efeito vai embora. O atrito permanece o mesmo, independentemente do número de camadas, porque as folhas são fortemente coladas na mica, e nenhum enrugamento pode ocorrer.
"A nanotecnologia examina como os materiais se comportam de maneira diferente à medida que encolhem para a escala nanométrica, "Disse Hone." Em um nível fundamental, é emocionante encontrar outra propriedade que muda fundamentalmente à medida que o material fica menor. "
Os resultados também podem ter implicações práticas para o projeto de dispositivos nanomecânicos que usam grafeno, que é um dos materiais mais fortes conhecidos. Também pode ajudar os pesquisadores a entender o comportamento macroscópico do grafite, MoS 2 e BN, que são usados como lubrificantes comuns para reduzir o atrito e o desgaste em máquinas e dispositivos.
