Les images produites à partir de simulations informatiques montrent la réponse d'une surface de graphène lorsqu'une pointe de silicium glisse dessus. Les forces relatives de frottement atomique sur la surface sont représentées par des couleurs :les points rouges sont des sites de « poussée » qui aident à propulser la pointe le long de la surface, tandis que les points bleus sont des sites d'« épinglage » de plus grande friction qui inhibent le mouvement de la pointe. Crédit :Avec l'aimable autorisation des chercheurs
Graphène, une forme bidimensionnelle de carbone en feuilles d'un seul atome d'épaisseur, a fait l'objet de nombreuses recherches, en grande partie en raison de sa combinaison unique de force, conductivité électrique, et stabilité chimique. Mais malgré de nombreuses années d'études, certaines propriétés fondamentales du graphène ne sont pas encore bien comprises, y compris la façon dont il se comporte lorsque quelque chose glisse le long de sa surface.
Maintenant, en utilisant des simulations informatiques puissantes, les chercheurs du MIT et d'ailleurs ont fait des progrès significatifs dans la compréhension de ce processus, y compris pourquoi le frottement varie lorsque l'objet glissant dessus avance, au lieu de rester constant comme c'est le cas avec la plupart des autres matériaux connus.
Les résultats sont présentés cette semaine dans la revue La nature , dans un article de Ju Li, professeur de science et ingénierie nucléaires et de science et ingénierie des matériaux au MIT, et sept autres au MIT, l'Université de Pennsylvanie, et des universités en Chine et en Allemagne.
Graphite, un matériau en vrac composé de plusieurs couches de graphène, est un lubrifiant solide bien connu. (En d'autres termes, comme l'huile, il peut être ajouté entre les matériaux en contact pour réduire la friction.) Des recherches récentes suggèrent que même une ou quelques couches de graphène peuvent également fournir une lubrification efficace. Cela peut être utilisé dans des contacts thermiques et électriques à petite échelle et d'autres dispositifs nanométriques. Dans ces cas, une compréhension du frottement entre deux morceaux de graphène, ou entre le graphène et un autre matériau, est important pour maintenir une bonne électricité, thermique, et connexion mécanique. Les chercheurs avaient déjà découvert que si une couche de graphène sur une surface réduit la friction, en avoir un peu plus, c'était encore mieux. Cependant, la raison n'a pas été bien expliquée auparavant, dit Li.
"Il y a cette notion large en tribologie que le frottement dépend de la vraie zone de contact, " dit Li, c'est-à-dire la zone où deux matériaux sont réellement en contact, jusqu'au niveau atomique. La "vraie" zone de contact est souvent sensiblement plus petite qu'elle ne semblerait l'être si elle était observée à des échelles de taille plus grandes. Déterminer la véritable zone de contact est important pour comprendre non seulement le degré de friction entre les pièces, mais aussi d'autres caractéristiques telles que la conduction électrique ou le transfert de chaleur.
Par exemple, explique le co-auteur Robert Carpick de l'Université de Pennsylvanie, "Lorsque deux pièces d'une machine entrent en contact, comme deux dents d'engrenages en acier, la quantité réelle d'acier en contact est beaucoup plus petite qu'il n'y paraît, parce que les dents de l'engrenage sont rugueuses, et le contact ne se produit qu'aux points saillants les plus hauts sur les surfaces. Si les surfaces ont été polies pour être plus plates de sorte que deux fois plus de surface soit en contact, le frottement serait alors deux fois plus élevé. En d'autres termes, la force de frottement double si la véritable surface de contact direct double.
Mais il s'avère que la situation est encore plus complexe que ne le pensaient les scientifiques. Li et ses collègues ont découvert qu'il existe également d'autres aspects du contact qui influencent la manière dont la force de friction est transférée à travers celui-ci. "Nous appelons cela la qualité du contact, par opposition à la quantité de contact mesurée par la zone de « vrai contact », ", explique Li.
Des observations expérimentales ont montré que lorsqu'un objet nanométrique glisse le long d'une seule couche de graphène, la force de frottement augmente en fait au début, avant de finir par se stabiliser. Cet effet diminue et la force de friction nivelée diminue lorsque l'on glisse sur de plus en plus de feuilles de graphène. Ce phénomène a également été observé dans d'autres matériaux stratifiés, notamment le bisulfure de molybdène. Des tentatives antérieures pour expliquer cette variation de frottement, pas vu dans autre chose que ces matériaux bidimensionnels, avait échoué.
Pour déterminer la qualité du contact, il faut connaître la position exacte de chaque atome sur chacune des deux surfaces. La qualité du contact dépend de l'alignement des configurations atomiques dans les deux surfaces en contact, et sur la synchronie de ces alignements. D'après les simulations informatiques, ces facteurs se sont avérés plus importants que la mesure traditionnelle pour expliquer le comportement de frottement des matériaux, selon Li.
"Vous ne pouvez pas expliquer l'augmentation du frottement" car le matériau commence à glisser "par la seule zone de contact, " dit Li. " La majeure partie du changement de friction est en fait due au changement de la qualité du contact, pas la véritable zone de contact. » Les chercheurs ont découvert que l'acte de glissement permet aux atomes de graphène d'établir un meilleur contact avec l'objet qui glisse le long de celui-ci; cette augmentation de la qualité du contact entraîne une augmentation du frottement à mesure que le glissement se poursuit et finit par se stabiliser. L'effet est fort pour une seule couche de graphène car le graphène est si flexible que les atomes peuvent se déplacer vers des emplacements de meilleur contact avec la pointe.
Un certain nombre de facteurs peuvent affecter la qualité du contact, y compris la rigidité des surfaces, légères courbures, et des molécules de gaz qui s'interposent entre les deux couches solides, dit Li. Mais en comprenant le fonctionnement du processus, les ingénieurs peuvent désormais prendre des mesures spécifiques pour modifier ce comportement de friction pour correspondre à une utilisation particulière prévue du matériau. Par exemple, Le "préfroissage" du matériau graphène peut lui donner plus de souplesse et améliorer la qualité du contact. "Nous pouvons l'utiliser pour faire varier le frottement d'un facteur trois, alors que la véritable zone de contact change à peine, " il dit.
"En d'autres termes, ce n'est pas seulement le matériau lui-même qui détermine comment il glisse, mais aussi sa condition aux limites, y compris s'il est lâche et froissé ou plat et étiré serré, il dit. Et ces principes s'appliquent non seulement au graphène mais aussi à d'autres matériaux bidimensionnels, comme le bisulfure de molybdène, Nitrure de bore, ou d'autres matériaux à un seul atome ou à une seule molécule d'épaisseur.
"Potentiellement, un contact mécanique mobile pourrait être utilisé comme un moyen de faire de très bons interrupteurs de puissance dans de petits appareils électroniques, " dit Li. Mais c'est encore loin; alors que le graphène est un matériau prometteur largement étudié, "Nous attendons toujours de voir l'électronique au graphène et l'électronique 2D décoller. C'est un domaine émergent."
