Grafeno, uma forma bidimensional de carbono em folhas de apenas um átomo de espessura, tem sido objeto de ampla pesquisa, em grande parte por causa de sua combinação única de força, condutividade elétrica, e estabilidade química. Mas apesar de muitos anos de estudo, algumas das propriedades fundamentais do grafeno ainda não são bem compreendidas, incluindo a maneira como ele se comporta quando algo desliza ao longo de sua superfície.

Agora, usando simulações de computador poderosas, pesquisadores do MIT e de outros lugares fizeram avanços significativos na compreensão desse processo, incluindo por que o atrito varia conforme o objeto deslizando sobre ele se move para frente, em vez de permanecer constante como acontece com a maioria dos outros materiais conhecidos.

Os resultados são apresentados esta semana na revista. Natureza , em um artigo de Ju Li, professor de ciência e engenharia nuclear e de ciência e engenharia de materiais no MIT, e sete outros no MIT, a Universidade da Pensilvânia, e universidades na China e Alemanha.

Grafite, um material a granel composto de muitas camadas de grafeno, é um lubrificante sólido conhecido. (Em outras palavras, como óleo, pode ser adicionado entre os materiais em contato para reduzir o atrito.) Pesquisas recentes sugerem que mesmo uma ou algumas camadas de grafeno também podem fornecer lubrificação eficaz. Isso pode ser usado em contatos térmicos e elétricos de pequena escala e outros dispositivos em nanoescala. Em tais casos, uma compreensão da fricção entre duas peças de grafeno, ou entre grafeno e outro material, é importante para manter um bom sistema elétrico, térmico, e conexão mecânica. Os pesquisadores já haviam descoberto que, embora uma camada de grafeno em uma superfície reduza o atrito, ter um pouco mais era ainda melhor. Contudo, a razão para isso não foi bem explicada antes, Li diz.

"Existe uma noção ampla na tribologia de que o atrito depende da verdadeira área de contato, "Li diz - isto é, a área onde dois materiais estão realmente em contato, até o nível atômico. A "verdadeira" área de contato costuma ser substancialmente menor do que, de outra forma, pareceria ser observada em escalas maiores. Determinar a verdadeira área de contato é importante para compreender não apenas o grau de atrito entre as peças, mas também outras características como a condução elétrica ou transferência de calor.

Por exemplo, explica o co-autor Robert Carpick, da Universidade da Pensilvânia, "Quando duas partes de uma máquina entram em contato, como dois dentes de engrenagens de aço, a quantidade real de aço em contato é muito menor do que parece, porque os dentes da engrenagem são ásperos, e o contato ocorre apenas nos pontos salientes superiores das superfícies. Se as superfícies fossem polidas para serem mais planas, de modo que o dobro da área estivesse em contato, o atrito seria então duas vezes maior. Em outras palavras, a força de atrito dobra se a área real de contato direto dobra. "

Mas acontece que a situação é ainda mais complexa do que os cientistas pensavam. Li e seus colegas descobriram que também existem outros aspectos do contato que influenciam como a força de atrito é transferida através dele. "Chamamos isso de qualidade de contato, em oposição à quantidade de contato medida pela área de 'contato verdadeiro', "Li explica.

Observações experimentais mostraram que, quando um objeto em nanoescala desliza ao longo de uma única camada de grafeno, a força de atrito realmente aumenta no início, antes de finalmente se estabilizar. Este efeito diminui e a força de fricção nivelada diminui ao deslizar em mais e mais folhas de grafeno. Este fenômeno também foi visto em outros materiais em camadas, incluindo dissulfeto de molibdênio. Tentativas anteriores de explicar essa variação no atrito, não visto em nada além desses materiais bidimensionais, tinha ficado aquém.

Para determinar a qualidade do contato, é necessário saber a posição exata de cada átomo em cada uma das duas superfícies. A qualidade do contato depende de quão bem alinhadas as configurações atômicas estão nas duas superfícies em contato, e na sincronia desses alinhamentos. De acordo com as simulações de computador, esses fatores acabaram sendo mais importantes do que a medida tradicional para explicar o comportamento de fricção dos materiais, de acordo com Li.

"Você não pode explicar o aumento do atrito" quando o material começa a deslizar "apenas pela área de contato, "Li diz." A maior parte da mudança no atrito é, na verdade, devido à mudança na qualidade do contato, não a verdadeira área de contato. "Os pesquisadores descobriram que o ato de deslizar faz com que os átomos de grafeno façam um contato melhor com o objeto que desliza ao longo dele; esse aumento na qualidade do contato leva ao aumento do atrito conforme o deslizamento prossegue e eventualmente se estabiliza. O efeito é forte para uma única camada de grafeno porque o grafeno é tão flexível que os átomos podem se mover para locais de melhor contato com a ponta.

Vários fatores podem afetar a qualidade do contato, incluindo rigidez das superfícies, curvaturas leves, e moléculas de gás que ficam entre as duas camadas sólidas, Li diz. Mas, ao compreender como funciona o processo, os engenheiros agora podem tomar medidas específicas para alterar esse comportamento de fricção para corresponder a um uso específico pretendido do material. Por exemplo, O "prewrinkling" do material de grafeno pode dar-lhe mais flexibilidade e melhorar a qualidade do contato. "Podemos usar isso para variar o atrito por um fator de três, enquanto a verdadeira área de contato quase não muda, " ele diz.

"Em outras palavras, não é apenas o próprio material "que determina como ele desliza, mas também sua condição de contorno - incluindo se está solto e enrugado ou plano e bem esticado, ele diz. E esses princípios se aplicam não apenas ao grafeno, mas também a outros materiais bidimensionais, como dissulfeto de molibdênio, nitreto de boro, ou outros materiais com a espessura de um único átomo ou de uma única molécula.

"Potencialmente, um contato mecânico móvel pode ser usado como uma forma de fazer interruptores de energia muito bons em pequenos dispositivos eletrônicos, "Li diz. Mas isso ainda está um pouco distante; embora o grafeno seja um material promissor que está sendo amplamente estudado, "Ainda estamos esperando para ver a eletrônica de grafeno e a eletrônica 2-D decolarem. É um campo emergente."