معکوس شدن ضریب اصطکاک گرافن در مقیاس نانو

اگر مدادی را به‌صورت نرم در دست بگیرید، آیا لغزش مداد بر روی کاغذ ساده‌ترصورت
نمی‌گیرد؟ مطمئنا همین‌طور است اما این پاسخ در صورتی است که باریکی نوک
مداد در ابعاد نانومتر نباشد. تیمی از محققان در مؤسسه ملی استاندارد و
فناوری کشف کردند در صورتی که گرافن (ماده اصلی تشکیل دهنده مغز مداد) به
اندازه کافی مستحکم باشد و بتوان با پروب‌هایی در مقیاس نانو آن را اندازه‌گیری
کرد، لغزش این ماده بر روی سطح مواد، با کاهش فشار سخت‌ترصورت می‌گیرد که
این مشاهده دقیقا مخالف تجربه هر روز ما در زندگی روزمره است.

بنا به گفته Rachel Cannara سر پرست تیم تحقیقاتی، این تجربه متناظر با
ضریب اصطکاک منفی است. ویژگی ضریب اصطکاک منفی متعلق به دسته‌ای از مواد
جامد تحت عنوان “مواد لایه ای” است. این مواد از چسبیدن صفحات دو بعدی
متشکل از اتم‌ها ساخته شده‌اند. این صفحات گرافن هستند که دارای ضخامتی به
انداز یک اتم کربن و ساختار شش ضلعی هستند. گرافن دارای مجموعه‌ای از خواص
الکتریکی و ساختار ویژه است که آن را در سیستم‌های میکرو و
نانوالکترومکانیک با کاربردهایی از حسگر گاز و شتاب سنج گرفته تا سویچ‌ها و
تشدید کننده‌های نوری بسیار جذاب و مفید می‌کند.

Zhao Deng دانشجو پسا دکتری دانشگاه مریلند و عضو تیم تحقیقاتی، به‌وسیله
اتم‌های اکسیژن، چسبندگی لازم بین صفحات گرافن را فراهم آورده و سپس ضریب
اصطکاک بین سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی و صفحات گرافن اندازه‌گیری کرد.

او دریافت زمانی که چسندگی بین گرافن و سوزن دستگاه از چسبندگی صفحه گرافن
با لایه زیرین بزرگتر می‌شود، با کاهش فشار روی سوزن، لغزش آن بر روی صفحه
گرافن سخت‌تر می‌شود که این رفتار دال بر ضریب اصطکاک منفی این ساختار چند
لایه است.

پیرو شبیه‌سازی‌های انجام شده در این حوزه به‌وسیله‌ی محققان همین مرکز
تحقیقاتی و دانشگاه Tsinghua پکن، تیم Cannara دریافتند که بعد از ایجاد
فشار نوک میکروسکوپ نیروی اتمی بر گرافن، اگر فشار به اندازه کافی باشد،
سوزن توانایی کندن بخشی از لایه سطحی و ایجاد حبابی بر سطح را دارد.
بنابراین هنگامی که محققان نوک سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی را بر نمونه فشار
داده و سپس با کاهش فشار سعی بر جدا نمودن دو قطعه کردند، افزایشی در نیروی
اصطکاک با حساسیتی برابر دهها پیکو نیوتن مشاهده شد.

هنگامی که مدل کاملی برای توصیف چگونگی تغییر شکل دادن صحات گرافن تحت نیرو
در دسترس باشد – مانند آنچه در این پروژه بر روی آن تحقیق می‌شود- اندازه‌گیری
نیروی اصطکاک مستقیم‌ترین راه برای تخمین زدن میزان نیروی نگهدارنده بین
لایه‌های مختلف این ساختار چند لایه است. از آنجایی که این آزمایش غیر مخرب
است، اندازه‌گیری می‌تواند بر روی خود ساختار انجام شود. به گفته Cannara
سرپرست تیم تحقیقاتی، فهم چگونگی برهم کنش لایه‌ها با یکدیگر و نیز بر هم
کنش آنها با سایر ابزارها، سبب می‌شود که قابلیت اندازه‌گیری انرژی مورد
نیاز برای ایجاد صفحات تک فراهم شده و نیز به ارزیابی عملکرد ابزارها و
فرموله کردن ساختارهای جدید کمک می‌نماید.

اطلاعات بیشتردر این خصوص را می‌توانید در مقاله زیر بیاید.

• Z. Deng, A. Smolyanitsky, Q. Li,
X.-Q. Feng and R. J. Cannara. Adhesion-dependent negative friction
coefficient on chemically modified graphite at the nanoscale. Nature
Materials. Published online: 14 October 2012 | doi: 10.1038/nmat3452.