(Phys.org) —Une équipe interdisciplinaire d'ingénieurs de l'Université de Pennsylvanie a fait une découverte concernant les propriétés de surface du graphène, le matériau lauréat du prix Nobel qui se compose d'une feuille atomiquement mince d'atomes de carbone.

A l'échelle macro, l'ajout d'atomes de fluor aux matériaux à base de carbone les rend hydrofuges, surfaces antiadhésives, comme le téflon. Cependant, à l'échelle nanométrique, Il a été rapporté que l'ajout de fluor au graphène augmentait considérablement le frottement ressenti lors du glissement contre le matériau.

Grâce à une combinaison d'expériences physiques et de simulations atomistiques, l'équipe Penn a découvert le mécanisme derrière cette découverte surprenante, ce qui pourrait aider les chercheurs à mieux concevoir et contrôler les propriétés de surface de nouveaux matériaux.

La recherche a été dirigée par le chercheur postdoctoral Qunyang Li, étudiant diplômé Xin-Zhou Liu et Robert Carpick, professeur et président du département de génie mécanique et de mécanique appliquée de la Penn's School of Engineering and Applied Science. Ils ont collaboré avec Vivek Shenoy, professeur au Département de science et génie des matériaux. Le contingent Penn a également travaillé avec des chercheurs du Naval Research Laboratory et de l'Université Brown.

L'ouvrage a été publié en Lettres nano .

Outre ses applications dans les circuits et les capteurs, le graphène présente un intérêt en tant que revêtement super résistant. À mesure que les composants des systèmes mécaniques et électriques deviennent plus petits, ils sont de plus en plus sensibles à l'usure. Composés de moins d'atomes que leurs homologues macroscopiques, chaque atome est d'autant plus important pour la structure et la fonction globales du composant.

"L'un des principaux mécanismes de défaillance de ces dispositifs à petite échelle est le frottement et l'adhérence, " dit Liu. " Parce que le graphène est si fort, mince et lisse, l'une de ses applications potentielles est de réduire les frottements et d'augmenter la durée de vie de ces dispositifs. Nous voulions mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de la façon dont l'ajout d'autres atomes influence le frottement du graphène."

L'ajout d'atomes de fluor au réseau de carbone du graphène constitue une combinaison intrigante en ce qui concerne ces propriétés.

"En général, " Carpick a dit, "le fluor rend les surfaces plus hydrofuges et antiadhésives. Gore-Tex et Teflon, par exemple, tirent leurs propriétés du fluor. Le téflon est un polymère de carbone fluoré, nous avons donc pensé que le graphène fluoré pourrait être comme du téflon bidimensionnel. »

Pour tester les propriétés de frottement de ce matériau, les chercheurs de Penn ont collaboré avec Paul Sheehan et Jeremy Robinson du Naval Research Laboratory. Sheehan et Robinson ont été les premiers à découvrir le graphène fluoré et sont des experts dans la production d'échantillons du matériau selon les spécifications.

"Cela signifie que nous avons pu faire varier systématiquement le degré de fluoration dans nos échantillons de graphène et le quantifier avec précision, " a déclaré Liu. " Cela nous a permis de faire des comparaisons précises lorsque nous avons testé le frottement de ces différents échantillons avec un microscope à force atomique, un instrument ultra-sensible qui peut mesurer les forces du nanonewton."

Les chercheurs ont été surpris de constater que l'ajout de fluor au graphène augmentait la friction du matériau mais ne pouvait pas expliquer immédiatement le mécanisme responsable. Un autre groupe de chercheurs avait simultanément fait le même constat; ils ont également montré que l'ajout de fluor augmentait la rigidité des échantillons de graphène et ont émis l'hypothèse que cela était responsable de l'augmentation du frottement.

Les chercheurs Penn, cependant, pensé qu'un autre mécanisme devait être à l'œuvre. Ils se sont tournés vers Shenoy, dont l'expertise est dans le développement de simulations à l'échelle atomique de l'action mécanique, pour aider à expliquer ce que l'ajout de fluor faisait à la surface du graphène.

"Nous n'avons pas de microscope qui puisse visualiser ce qui se passe à cette petite échelle, " Shenoy a dit, "mais il y a assez peu d'atomes pour que nous puissions modéliser leur comportement avec un haut degré de précision."

"Il s'avère qu'en ajoutant du fluor, " Liu a dit, "nous modifions le paysage d'ondulation énergétique du graphène. Nous introduisons essentiellement la rugosité électronique, qui à l'échelle nanométrique, peut agir comme une rugosité physique en augmentant la friction."

Dans le graphène fluoré, les atomes de fluor dépassent du plan des atomes de carbone, mais les changements physiques de hauteur pâlissaient en comparaison des changements d'énergie locale que chaque atome de fluor produisait.

« À l'échelle nanométrique, " Carpick a dit, "Le frottement n'est pas seulement déterminé par le placement des atomes, mais aussi par la quantité d'énergie dans leurs liaisons. Chaque atome de fluor a tellement de charge électronique que vous obtenez des pics hauts et des vallées profondes entre eux, par rapport au plan lisse du graphène régulier. On pourrait dire que c'est comme essayer de glisser sur une route lisse par rapport à une route cahoteuse."

Au-delà de l'implication pour les applications de revêtement de graphène, les découvertes de l'équipe fournissent un aperçu fondamental des propriétés de surface du graphène.

"Chaque matériau interagit avec le monde à travers sa surface, " Carpick a dit, "donc comprendre et manipuler les propriétés de surface—frottement, adhésion, interactions avec l'eau, catalyse - sont majeurs, domaines en cours de recherche scientifique. Voir que le fluor augmente la friction dans le graphène n'est pas nécessairement une mauvaise chose, car cela peut nous donner un moyen d'adapter cette propriété à une application donnée. Cela nous aidera également à comprendre comment l'ajout d'autres éléments, comme l'hydrogène ou l'oxygène, pourrait influencer ces propriétés.