(Phys.org) - Si vous vous éloignez d'un crayon, ça glisse plus facilement ? Sûr. Mais peut-être pas si la pointe est affûtée à des dimensions nanométriques. Une équipe de chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) a découvert que si le graphite (le matériau du crayon "plomb") est suffisamment collant, mesurée par une sonde nanométrique, il devient en fait plus difficile de faire glisser une pointe sur la surface du matériau lorsque vous diminuez la pression, l'exact opposé de notre expérience quotidienne.
Techniquement, cela conduit effectivement à un "coefficient de frottement négatif, " quelque chose qui n'a pas été vu auparavant, selon le chef d'équipe Rachel Cannara. Graphite, Cannara explique, fait partie d'une classe spéciale de solides appelés matériaux "lamellaires", qui sont formés d'empilements de feuillets d'atomes bidimensionnels. Les feuilles sont en graphène, un plan d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un seul atome disposés selon un motif hexagonal. Le graphène possède un certain nombre de propriétés électriques et matérielles exotiques qui le rendent attrayant pour les systèmes micro- et nanoélectromécaniques avec des applications allant des capteurs de gaz et des accéléromètres aux résonateurs et commutateurs optiques.
Zhao Deng, un chercheur postdoctoral de l'Université du Maryland au NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, a noté quelques données étranges lors de l'expérimentation sur le graphite avec un microscope à force atomique (AFM). Deng mesurait les forces de friction sur la pointe nanométrique d'un AFM suivi à travers le graphite alors qu'il modifiait le "collage" de la surface en permettant à de minuscules quantités d'oxygène de s'adsorber sur la couche de graphène la plus élevée.
Simulations théoriques du frottement entre le graphite et la sonde AFM :
Deng a découvert que lorsque la force d'adhérence entre le graphène et le stylet devenait supérieure à l'attraction de la couche de graphène sur le graphite en dessous, la réduction de la pression sur le stylet rendait plus difficile le glissement de la pointe sur la surface, une friction différentielle négative.
S'appuyant sur des simulations théoriques réalisées par des collaborateurs du NIST et de l'université Tsinghua de Pékin, L'équipe de Cannara a découvert que, après que la pointe de l'AFM a été enfoncée dans la surface du graphite, si la force d'attraction est suffisamment élevée, la pointe peut éloigner une petite région localisée de la couche superficielle de graphène du matériau en vrac, comme soulever une bulle nanométrique de la surface. Pousser cette déformation demande plus de travail que de glisser sur une surface plane. Par conséquent, chaque fois que les chercheurs pressaient la pointe de l'AFM contre la surface de graphite collante, puis essayaient de séparer les deux, ils ont mesuré une augmentation de la force de frottement avec une sensibilité de l'ordre de quelques dizaines de piconewtons.
"Une fois que nous aurons un modèle complet décrivant comment ces feuilles de graphène se déforment sous des chargements et glissements répétés à l'échelle nanométrique - sur lequel nous travaillons actuellement - la microscopie à force de frottement peut être le moyen le plus direct de mesurer l'énergie qui lie ces matériaux en couches ensemble. Et, puisqu'il est non destructif, la mesure peut être effectuée sur des appareils en état de marche, " dit Cannara. Comprendre comment les feuilles interagissent les unes avec les autres et avec d'autres parties d'un appareil aiderait à quantifier l'énergie nécessaire pour produire des feuilles individuelles à partir de matériaux en vrac, évaluer le fonctionnement de l'appareil, et aider à la formulation de nouvelles structures à base de matériaux stratifiés, elle dit.
