В макроуровне добавление атомов фтора к материалам на основе углерода обеспечивает водоотталкивающие, антипригарные поверхности, такие как тефлон. Однако в наномасштабе добавление фтора к графену значительно увеличивает трение, возникающее при скольжении по материалу.
С помощью комбинации физических экспериментов и атомистического моделирования команда Пенна обнаружила механизм, лежащий в основе этого удивительного открытия, которое может помочь исследователям лучше проектировать и контролировать поверхностные свойства новых материалов.Исследованием руководили постдокторант Цюньян Ли, аспирант Синь-Чжоу Лю и Роберт Карпик, профессор и заведующий кафедрой машиностроения и прикладной механики Школы инженерии и прикладных наук Пенсильвании.
Они сотрудничали с Вивеком Шеной, профессором кафедры материаловедения и инженерии. Контингент Пенна также работал с исследователями из Военно-морской исследовательской лаборатории и Университета Брауна.
Работа опубликована в журнале Nano Letters.Помимо применения в схемах и датчиках, графен представляет интерес как сверхпрочное покрытие. По мере уменьшения размеров компонентов механических и электрических систем они становятся все более подверженными износу.
Каждый атом, состоящий из меньшего количества атомов, чем их аналоги на макроуровне, гораздо более важен для общей структуры и функции компонента.«Одним из основных механизмов отказа этих малогабаритных устройств является трение и адгезия», — сказал Лю. «Поскольку графен такой прочный, тонкий и гладкий, одно из его потенциальных применений — уменьшить трение и увеличить срок службы этих устройств. Мы хотели лучше понять фундаментальные механизмы того, как добавление других атомов влияет на трение графена».Добавление атомов фтора к углеродной решетке графена создает интригующую комбинацию, когда дело доходит до этих свойств.
«Вообще говоря, — сказал Карпик, — фтор делает поверхности более водоотталкивающими и антипригарными. Gore-Tex и тефлон, например, получают свои свойства от фтора. Тефлон — это фторированный углеродный полимер, поэтому мы подумали, что фторированный графен может быть как двухмерный тефлон ".
Чтобы проверить фрикционные свойства этого материала, исследователи из Пенсильвании сотрудничали с Полом Шиханом и Джереми Робинсоном из Военно-морской исследовательской лаборатории. Шихан и Робинсон первыми открыли фторированный графен и являются экспертами в производстве образцов этого материала в соответствии со спецификациями.
«Это означало, что мы могли систематически изменять степень фторирования в наших образцах графена и точно определять ее количественно», — сказал Лю. «Это позволило нам провести точные сравнения, когда мы проверили трение этих различных образцов с помощью атомно-силового микроскопа, сверхчувствительного прибора, который может измерять силы в наноньютонах».Исследователи были удивлены, обнаружив, что добавление фтора к графену увеличивает трение материала, но не смогли сразу объяснить ответственный механизм. Другая группа исследователей одновременно сделала то же наблюдение; они также показали, что добавление фтора увеличивает жесткость образцов графена, и предположили, что это было ответственно за повышенное трение.Однако исследователи из Пенсильвании считали, что должен работать другой механизм.
Они обратились к Шеною, который специализируется на моделировании механических воздействий в атомарном масштабе, чтобы объяснить, что добавление фтора делает с поверхностью графена.«У нас нет микроскопа, который мог бы визуализировать происходящее в таком маленьком масштабе, — сказал Шеной, — но атомов достаточно, чтобы мы могли смоделировать их поведение с высокой степенью точности».«Оказывается, добавляя фтор, — сказал Лю, — мы меняем ландшафт энергетической гофрировки графена.
Мы, по сути, вводим электронную шероховатость, которая в наномасштабе может действовать как физическая шероховатость при увеличении трения».Во фторированном графене атомы фтора действительно выступают из плоскости атомов углерода, но физические изменения высоты бледнеют по сравнению с изменениями локальной энергии, производимой каждым атомом фтора.
«На наноуровне, — сказал Карпик, — трение определяется не только расположением атомов, но и количеством энергии в их связях. Каждый атом фтора имеет такой большой электронный заряд, что между ними возникают высокие пики и глубокие впадины. , по сравнению с гладкой плоскостью обычного графена.
Можно сказать, что это все равно, что пытаться скользить по гладкой дороге, а не по ухабистой ».Помимо применения в покрытии графена, результаты исследования дают фундаментальное представление о свойствах поверхности графена.«Каждый материал взаимодействует с миром через свою поверхность, — сказал Карпик, — поэтому понимание и изменение свойств поверхности — трения, адгезии, взаимодействия с водой, катализа — являются основными текущими областями научных исследований.
Видя, что фтор увеличивает трение в графен не обязательно плох, поскольку он может дать нам возможность адаптировать это свойство к конкретному приложению. Он также поможет нам понять, как добавление других элементов, таких как водород или кислород, может повлиять на эти свойства ».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Корейским институтом машин и материалов и Управлением военно-морских исследований.