خواص اصطکاکی صفحات نازک در مقیاس نانو

یک گروه تحقیقاتی از دانشگاه‌های پنسیلوانیا و کلمبیا برای تعیین مشخصه‌های اصطکاکی نانومقیاس چهار ماده نازک با ضخامتی در مقیاس اتمی، از میکروسکوپ نیروی اتمی استفاده کرده است.

یک گروه تحقیقاتی از دانشگاه‌های پنسیلوانیا و کلمبیا برای تعیین مشخصه‌های اصطکاکی نانومقیاس چهار ماده نازک با ضخامتی در مقیاس اتمی، از میکروسکوپ نیروی اتمی استفاده کرده است. آنها یک مشخصه عمومی برای این مواد کاملاً متفاوت کشف کرده‌اند. اصطکاک در عرض این صفحات نازک، هنگامی که تعداد لایه‌های اتمی کاهش می‌یابد، افزایش می‌یابد. این افزایش تا کاهش تعداد لایه‌ها به یک لایه اتمی، ادامه دارد. جالب اینجاست که این رفتار قبلاً به‌صورت تئوری قابل پیش‌بینی نبود.

این یافته یک اصل مهم برای این مواد نازک آشکار می‌کند. این مواد نازک به‌طور گسترده به‌عنوان فیلم‌های لغزنده جامد در کاربردهای مهم مهندسی استفاده می‌شوند. اندازه‌گیری‌های این محققان که بوسیله شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نیز تأیید می‌شوند، پیشنهاد می‌کنند که این خاصیت از این حقیقت ناشی می‌شود که یک ماده هر چه نازک‌تر باشد، انعطاف‌پذیرتر است. مثلاً خم‌کردن یک صفحه نازک کاغذی بسیار آسان‌تر از خم کردن یک قطعه ضخیم مقوایی است.

این محققان خواص اصطکاکی نانومقیاس صفحات نازک گرافن، دی‌سولفید مولیبدیوم (MoS2)، هگزاگونال- h-BN)BN) و دی‌سولفید نیوبیم(NbSe2) را بررسی کردند. این محققان صفحات بسیار نازک در حد لایه‌های اتمی هر کدام از این مواد را روی یک بستر اکسید سیلیکون با دقت اتمی سائیدند و اصطکاک آنها را اندازه گیری کردند. آنها سپس یافته‌های خود در مقیاس نانو را با داده‌های خواص اصطکاکی هرکدام از این مواد در مقیاس‌های ماکرو، مقایسه کردند. همه این مواد رفتار اصطکاکی مشابهی از خود به نمایش گذاشتند، علی‌رغم آنکه خواص الکتریکی متفاوتی از فلزی تا نیمه‌رسانایی و عایق، داشتند.

روبرت کارپیک، یکی از محققان، گفت: ما این مکانیزم را که منجر به این می‌شود که هر چه صفحات نازکتر؛ اصطکاک نیز بیشتر، اثر “چروک شدگی” نامگذاری کردیم. نیروهای بین اتمی، مانند نیروی واندروالس، سبب جاذبه‌ای بین این صفحات اتمی و نوک نانومقیاس میکروسکوپ نیروی اتمی که اصطکاک در مقیاس نانو را اندازه‌گیری می‌کند؛ می‌شود.

به دلیل اینکه این صفحات بسیار نازک (در بعضی از نمونه‌ها فقط یک لایه‌ی اتمی) هستند، به سمت نوک میکروسکوپ نیروی اتمی کج می‌شوند، و این یک شکل چروک شده ایجاد می‌کند و مساحت بر هم‌کنش بین نوک وصفحه را افزایش می‌دهد. افزایش این مساحت منجر به افزایش اصطکاک می‌شود. این محققان همچنین کشف کرده‌اند که با اتصال محکم این صفحه‌های اتمی به بستر، می‌توان از این افزایش اصطکاک جلوگیری کرد.

نتایج این تحقیق در مجله‌ی Science منتشر شده است.