Illustration schématique et rendu à l'échelle atomique d'une pointe AFM en silice glissant de haut en bas sur un bord de marche en graphène monocouche sur une surface de graphite atomiquement plate. Le modèle de pointe de silice représente l'oxyde natif au sommet de la pointe Si AFM utilisée dans l'étude expérimentale. Ce système modèle permet à la fois des études expérimentales et informatiques qui isolent les origines chimiques et physiques du frottement. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw0513
La friction résulte d'un ensemble de processus complexes qui agissent ensemble pour résister au mouvement relatif. Malgré cette complexité, le frottement est souvent décrit à l'aide d'expressions phénoménologiques simples qui relient les forces normales et latérales via le coefficient de frottement. Le paramètre défini englobe plusieurs, effets parfois concurrents. Pour mieux comprendre les origines du frottement, Zhe Chen et une équipe interdisciplinaire de chercheurs des départements de génie chimique, la recherche en génie mécanique et en matériaux a étudié une interface chimiquement et topographiquement bien définie entre la silice et le graphite à l'aide d'une configuration de bord en gradins de graphène monocouche.
L'équipe de recherche a identifié les contributions distinctes des processus physiques et chimiques au frottement et a montré qu'un seul coefficient de frottement pouvait être séparé en deux termes correspondant à ces effets. Les résultats ont fourni un aperçu des origines chimiques et topographiques du frottement en tant que voie de réglage des surfaces en tirant parti des processus de frottement concurrents. Les résultats sont maintenant publiés sur Avancées scientifiques .
Le frottement se produit à l'interface entre deux surfaces solides en contact et se déplaçant à des vitesses ou des directions différentes. Puisque le frottement peut correspondre à de l'énergie gaspillée, les scientifiques utilisent ce paramètre pour déterminer l'efficacité et la durée de vie utile de tous les systèmes mobiles, du biologique à l'aéronautique. Force de friction ( F
Forces d'adhérence (F
Vues de face et de côté du boîtier de simulation MD. La boîte a des conditions aux limites périodiques dans les directions X et Y. Les cases en pointillés indiquent les régions dans lesquelles les atomes sont traités comme un corps rigide (violet) ou fixés en place (rouge et bleu). Les flèches vertes montrent le chemin du déplacement de la pointe pendant le chargement (mouvement vers le bas) et le glissement (mouvement latéral). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw0513.
Les scientifiques ont utilisé un système modèle contenant une sonde de microscopie à force atomique (AFM) en silicium appelée pointe de silice, et une surface en graphite avec un bord de marche en graphène monocouche. Le plan basal du graphite a fourni une surface plane chimiquement inerte et sans défaut. La feuille de graphène exposée au sommet était proportionnelle à la couche sous-jacente, fournir une surface topographiquement la moins ondulée pour les tests de friction. Le système expérimental contenait un bord de marche en graphène monocouche sur la surface du graphite, pour fournir une topographie bien définie avec un changement de hauteur de 0,34 nm sur une distance correspondant à une longueur de liaison chimique pour former une étape atomique. L'équipe de recherche a modélisé le même système à l'aide de simulations de dynamique moléculaire réactive (DM), recréer le sommet de la pointe de silice sur les couches supérieures de graphène dans le graphite, près du bord de la marche. Ils ont permis des études computationnelles et expérimentales du cisaillement interfacial d'une surface de silice sur une surface atomiquement plane, et sur une caractéristique chimiquement ou topographiquement bien définie à l'étape, pendant l'étude. Le modèle expérimental était en accord avec la simulation informatique pour donner un aperçu des origines du frottement au niveau atomique.
Force latérale (traits pleins) et profil de hauteur (traits pointillés) mesurés au bord de la marche en graphène avec une pointe AFM en silice. La force normale appliquée à la pointe était de 36,7 nN, et la vitesse de glissement était de 500 nm/s. Dans le sens de la montée en puissance, la force latérale positive signifie que le bord de la marche en graphène résiste au glissement de la pointe. Dans le sens de la descente, la force latérale négative résiste au glissement de la pointe et la force positive (ou déviation vers le haut de la tendance négative) aide au glissement de la pointe. L'encart est l'image topographique AFM du bord de marche en graphène obtenue après des mesures répétées de frottement à des forces normales appliquées variant de 7,3 à 36,7 nN (fig. S3A); l'image post-balayage ne montre aucun dommage de la région testée par frottement (ligne blanche). La hauteur du bord de marche est de 0,34 nm, correspondant à la somme de l'épaisseur d'une couche de graphène et de l'espacement intercouche entre les couches de graphène adjacentes. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw0513.
Lors des mesures du bord de marche en graphène avec une pointe AFM en silice, l'équipe de recherche a obtenu un COF d'environ 0,1, proche de la valeur observée sur différentes surfaces lors d'essais de déformation élastique. Pendant la descente dans la configuration basée sur la pointe AFM, Chen et al. ont observé des réponses de frottement plus compliquées dans lesquelles le frottement fluctuait lors des changements de hauteur topographique. Les changements observés ne correspondaient pas à la topographie seule, mais l'équipe n'a pas pu différencier les effets chimiques et physiques dans le système. Pour explorer ces origines, ils ont analysé le frottement en fonction de la charge et observé la dépendance de la charge du frottement sur la terrasse en graphite et au bord de la marche en graphène à partir d'études expérimentales et de simulations. Les résultats ont confirmé que les simulations ont fourni des informations atomiques sur les processus interfaciaux des comportements de friction complexes. Ils ont quantifié le COF dans le système avec le frottement porteur pour isoler les contributions chimiques et physiques. L'équipe de recherche a utilisé les informations à l'échelle atomique observées dans les simulations pour obtenir des informations supplémentaires.
Pour quantifier les contributions physiques au frottement dans la simulation MD réactive, les scientifiques ont d'abord utilisé la contrainte de cisaillement de la pointe de silice. Ils ont ensuite quantifié les contributions chimiques en utilisant le nombre de liaisons hydrogène formées entre la pointe de silice et la surface de graphite au cours de l'expérience. Ils n'ont pas observé d'interactions physiques ou chimiques significatives lorsque la pointe de silice a glissé sur le plan basal du graphite, qu'ils ont utilisé pour expliquer la superlubrification expérimentale du COF calculée (~ 0,003) dans l'étude. Cependant, pendant le step-up atomique, les mécanismes physiques (contraintes) et chimiques (liaison hydrogène) renforcent de manière synergique la résistance au glissement, ce qui fait que le COF devient 100 fois plus grand à l'augmentation atomique qu'au plan basal du graphite. Les scientifiques ont enregistré des observations similaires pour la force de résistance abaissée due aux interactions de liaison hydrogène.
Dépendance de la charge de la force de frottement et du COF correspondant. (A) Force de friction mesurée avec la pointe AFM en silice sous diverses charges normales appliquées. Le step-up résistif, abaisseur résistif, et les forces d'assistance dégressives sont déterminées. La moyenne et l'écart-type ont été calculés à partir des valeurs de plusieurs mesures, où chaque mesure impliquait une moyenne de plus de 128 scans. Les SD des valeurs expérimentales sont similaires ou inférieurs à la taille des symboles. (B) Force de friction calculée à partir de simulations MD réactives. Noter que, pour le cas abaisseur, une force latérale d'assistance positive correspond à une force de friction négative. (C) COF calculé à partir de la dépendance à la charge de la force de frottement, qui est la pente des moindres carrés correspondant aux droites de (A) et (B). La barre d'erreur en (C) indique l'incertitude de la pente calculée. Parce que la force de frottement pour les cas de résistance abaisseur et d'assistance abaisseur diminue à mesure que la charge appliquée augmente, On obtient un COF négatif. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw0513.
De cette façon, Zhe Chen et ses collègues ont utilisé des simulations COF et MD ensemble, pour mieux comprendre les origines physiques et chimiques du frottement. Ils ont atteint la superlubrification dans le montage expérimental lorsque la déformation induite par la topographie et l'emboîtement, ainsi que la liaison chimique au niveau du plan de cisaillement étaient négligeables. L'équipe a observé une friction importante dans la configuration lorsque l'augmentation au-dessus du bord de l'étape de graphène de 0,34 nm a provoqué des effets physiques combinés de la topographie et des effets chimiques dus à la liaison interfaciale. Pendant le mouvement de descente dans les expériences, le changement de topographie négatif a produit une force pour aider le mouvement de glissement, tandis que les liaisons chimiques entre les surfaces en mouvement opposé produisaient une force résistive. L'équipe de recherche a montré que l'équilibrage de ces deux composants pouvait déterminer si le frottement et le COF dans un système expérimental étaient finalement positifs ou négatifs.
Simulation MD réactive montrant les origines des effets chimiques et physiques sur le frottement. (A et B) Force latérale, (C et D) déformation de cisaillement des atomes dans la silice où le signe indique la direction par rapport au glissement, et (E et F) nombre de liaisons hydrogène formées entre le bord de marche en graphène et la silice, calculé à partir de simulations en fonction de la position du centre de masse de la pointe par rapport au bord du pas de graphène pour (A, C, et E) augmentation et (B, RÉ, et F) abaissement. La charge normale appliquée à la pointe de silice est de 10 nN, et la vitesse de glissement est de 10 m/s. Le changement de hauteur topographique mesuré avec le centre de masse de la surface de comptoir est représenté par des lignes pointillées en (A) et (B) sur l'axe y secondaire. Les zones de fond blanc et gris sont les terrasses inférieure et supérieure, respectivement. Les instantanés de la déformation de cisaillement des atomes dans la silice et les liaisons hydrogène reliant deux surfaces à trois emplacements pour l'augmentation et la diminution sont également présentés. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw0513.
Les résultats expliquaient la difficulté d'obtenir une superlubrification sur des surfaces atomiquement rugueuses, à moins que les caractéristiques topographiques de la surface ne soient chimiquement inertes. Au total, les résultats suggèrent la possibilité de régler le COF avec des caractéristiques topographiques prescrites et des groupes chimiques préétablis. Si le concept n'améliore pas immédiatement les applications industrielles du frottement, il fournit des informations fondamentales sur les origines chimiques et topographiques de la friction et est donc très prometteur pour les futures avancées scientifiques sur la minimisation de la résistance aux interfaces tribologiques. Chen et al. imaginez que le travail ouvrira des possibilités de friction réglable en physique appliquée.
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