p (Phys.org) —Uma equipe interdisciplinar de engenheiros da Universidade da Pensilvânia fez uma descoberta sobre as propriedades de superfície do grafeno, o material ganhador do prêmio Nobel que consiste em uma folha atomicamente fina de átomos de carbono. p Na macroescala, adicionar átomos de flúor a materiais à base de carbono torna-se repelente de água, superfícies antiaderentes, como o Teflon. Contudo, na nanoescala, Foi relatado que adicionar flúor ao grafeno aumenta enormemente o atrito experimentado ao deslizar contra o material.

p Por meio de uma combinação de experimentos físicos e simulações atomísticas, a equipe da Penn descobriu o mecanismo por trás dessa descoberta surpreendente, o que poderia ajudar os pesquisadores a projetar e controlar melhor as propriedades de superfície de novos materiais.

p A pesquisa foi liderada pelo pesquisador de pós-doutorado Qunyang Li, estudante de graduação Xin-Zhou Liu e Robert Carpick, professor e presidente do Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn. Eles colaboraram com Vivek Shenoy, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. O contingente da Penn também trabalhou com pesquisadores do Naval Research Laboratory e da Brown University.

p O trabalho foi publicado em Nano Letras .

p Além de suas aplicações em circuitos e sensores, o grafeno é interessante como um revestimento super forte. Conforme os componentes dos sistemas mecânicos e elétricos ficam menores, eles estão cada vez mais suscetíveis ao desgaste. Composto por menos átomos do que suas contrapartes em macroescala, cada átomo é muito mais importante para a estrutura e função geral do componente.

p "Um dos principais mecanismos de falha para esses dispositivos de pequena escala é o atrito e a adesão, "Liu disse." Porque o grafeno é tão forte, fino e liso, uma de suas aplicações potenciais é reduzir o atrito e aumentar a vida útil desses dispositivos. Queríamos entender melhor os mecanismos fundamentais de como a adição de outros átomos influencia o atrito do grafeno. "

p A adição de átomos de flúor à rede de carbono do grafeno cria uma combinação intrigante quando se trata dessas propriedades.

p "De um modo geral, "Carpick disse, "o flúor torna as superfícies mais repelentes à água e antiaderentes. Gore-Tex e Teflon, por exemplo, obtêm suas propriedades do flúor. Teflon é um polímero de carbono fluorado, então pensamos que o grafeno fluorado poderia ser como o Teflon bidimensional. "

p Para testar as propriedades de fricção deste material, os pesquisadores da Penn colaboraram com Paul Sheehan e Jeremy Robinson do Naval Research Laboratory. Sheehan e Robinson foram os primeiros a descobrir o grafeno fluorado e são especialistas na produção de amostras do material de acordo com as especificações.

p "Isso significa que fomos capazes de variar sistematicamente o grau de fluoração em nossas amostras de grafeno e quantificá-lo com precisão, "Liu disse." Isso nos permitiu fazer comparações precisas quando testamos o atrito dessas diferentes amostras com um microscópio de força atômica, um instrumento ultrassensível que pode medir forças de nanonewton. "

p Os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que adicionar flúor ao grafeno aumentou o atrito do material, mas não puderam explicar imediatamente o mecanismo responsável. Outro grupo de pesquisadores fez simultaneamente a mesma observação; eles também mostraram que a adição de flúor aumentou a rigidez das amostras de grafeno e hipotetizaram que isso era responsável pelo aumento do atrito.

p Os pesquisadores da Penn, Contudo, pensei que outro mecanismo deve estar em funcionamento. Eles se voltaram para Shenoy, cuja especialidade está no desenvolvimento de simulações em escala atômica de ação mecânica, para ajudar a explicar o que a adição de flúor estava fazendo à superfície do grafeno.

p "Não temos um microscópio que possa visualizar o que está acontecendo em pequena escala, "Shenoy disse, "mas há poucos átomos o suficiente para que possamos modelar como eles se comportam com um alto grau de precisão."

p "Acontece que, ao adicionar flúor, "Liu disse, "estamos mudando o cenário de ondulação de energia do grafeno. Basicamente, estamos introduzindo a rugosidade eletrônica, que em nanoescala, pode agir como aspereza física aumentando o atrito. "

p Em grafeno fluorado, os átomos de flúor se projetam para fora do plano dos átomos de carbono, mas as mudanças físicas na altura empalideceram em comparação com as mudanças da energia local que cada átomo de flúor produziu.

p "Na nanoescala, "Carpick disse, "o atrito não é determinado apenas pela localização dos átomos, mas também pela quantidade de energia em suas ligações. Cada átomo de flúor tem tanta carga eletrônica que você obtém altos picos e vales profundos entre eles, em comparação com o plano liso do grafeno regular. Você poderia dizer que é como tentar deslizar por uma estrada lisa em vez de uma estrada esburacada. "

p Além da implicação para aplicações de revestimento de grafeno, as descobertas da equipe fornecem uma visão fundamental sobre as propriedades da superfície do grafeno.

p "Todo material interage com o mundo por meio de sua superfície, "Carpick disse, "assim, compreender e manipular as propriedades da superfície - fricção, adesão, interações com água, catálise - são importantes, áreas em curso de investigação científica. Ver que o flúor aumenta o atrito no grafeno não é necessariamente uma coisa ruim, uma vez que pode nos fornecer uma maneira de adaptar essa propriedade a um determinado aplicativo. Também nos ajudará a entender como a adição de outros elementos, como hidrogênio ou oxigênio, pode influenciar essas propriedades. "