Группа тайваньских исследователей смогла установить зависимость коэффициента трения углеродной нанотрубки о поверхность графита от взаимной ориентации. Ученые продемонстрировали, что искомая велична существенно зависит от относительной влажности воздуха.

Углеродные наноструктуры (УНС), такие как фуллерен, нанотрубка (УНТ) и графен, рассматриваются в качестве элемента наноэлектромеханических систем (НЭМС) – устройств, преобразующих электрическую энергию в механическую и наоборот. Такая возможность связана, в том числе, с низким коэффициентом трения, характеризующим такие структуры. Поскольку при трении одного объекта нанометрового размера о другой площадь контакта может быть настолько мала, что в трении участвует лишь ограниченное число атомов, входящих в рассматриваемую структуру, то можно ожидать, что коэффициент трения таких объектов зависит от их относительной ориентации. Подобная зависимость, с одной стороны, должна учитываться при разработке НЭМС, а с другой стороны – может быть ис-пользована для определения атомной структуры объекта.

В экспериментальной работе [1] группе тайваньских исследователей удалось установить зависимость коэффициента трения УНТ о поверхность графита от взаимной ориентации.

При проведении эксперимента использовали атомно-силовой микроскоп (АСМ), оснащенный поворотным устройством, позволяющим изменять угол ориентации зонда относительно подложки с шагом 0.007^о. В качестве зонда использовали стандартный пирамидальный АСМ-зонд, на котором под некоторым углом к оси укреплена углеродная нанотрубка. Наконечник, в свою очередь, прикреплен к кантилеверу прямоугольной структуры длиной 90 мкм, шириной 35 мкм и толщиной 1 мкм. Поперечная силовая константа этого кантилевера составляет 4.221 Н/м, в то время как константа на изгиб равна 0.618 Н/м.

В качестве подложки использовали кристалл высокоориентированного пиролитического графита, имеющий разброс в ориентации графитовых слоев менее 1^о.

Эксперименты по измерению силы трения проводили при нагрузке от 5 до 10 нН. УНТ, прикрепленная к АСМ-зонду, двигалась по поверхности графита со скоростью около 140 нм/с при различных углах ориентации нанотрубки. Типичные результаты измерений, полученные в условиях низкой (6%) влажности при нагрузке 10 нН, представлены на рисунке.

Как видно, зависимость силы трения УНТ о поверхность графита имеет ярко выраженный резонансный характер. Эта зависимость имеет периодическую структуру с периодом 60^о, что соответствует гексагональной симметрии поверхности графита. Обработка полученных зависимостей позволяет оценить площадь контакта поверхностей УНТ и графита, равную примерно 8 нм².

Это соответствует примерно 150 элементарным гексагональным ячейкам.

Исследования показали, что характер зависимости силы трения от угла ориентации существенно изменяется по мере увеличения влажности воздуха.

Рост влажности сопровождается повышением силы трения и снижением степени регулярности указанной зависимости.

При относительной влажности воздуха, превышающей 40%, зависимость силы трения от угла ориентации приобретает случайный характер, что связано с образованием мономолекулярного водяного слоя на поверхности контакта.

Первоисточник:

[1] W.-C. Chang et al., Appl. Phys. Lett. 101, 063109 (2012).