Международный коллектив ученых объяснил необычное поведение сил трения в графене. Феномен, заключающийся в зависимости трения от времени, объясняется не только «количеством поверхности», как принято в классической теории трения, а еще и «качеством» — существованием дополнительного механизма взаимодействия соприкасающихся поверхностей. Исследование описывается в новом выпуске журнала Nature.

Графит (который можно рассматривать как многослойный графен) давно используется в промышленности в качестве сухой смазки в условиях высоких давлений. Переход от макро- к микромеханизмам оставляет спрос на сухую смазку между мельчайшими трущимися деталями. Естественным кандидатом на роль такой смазки является графен с небольшим числом слоев. Однако первые эксперименты показали, что монослой графена, если его использовать таким образом, демонстрирует большее трение, чем графит. Необычна не только асолютная величина трения, но и его поведение: оно растет со временем и затем принимает некоторое постоянное значение. Несмотря на широкий интерес к графену как к перспективному материалу, процесс меняющегося со временем трения не был до сих пор подробно исследован.

Взвесь графена в спирте, которая используется для производства электропроводящих чернил. James Macleod / Engineering at Cambridge

Коллектив авторов новой статьи воспроизвел условия эксперимента, в котором наблюдалось аномальное трение, методом молекулярной динамики — т.е. на основе моделирования поведения отдельных атомов. В ходе вычислительного эксперимента на графен, лежащий на подложке из аморфного кремния, поместили небольшую круглую пластинку кристаллического кремния. К этой пластинке после установления равновесия прикладывали постоянную силу 0,8 наноньютон вдоль одной оси и следили за величиной силы трения, изменением контактной площади кремния и графена и видом поверхности. Расчет проводили для графена с различным числом слоев (N=1–4), вся система поддерживалась при постоянной температуре.

Рис.1. Моделируемый эксперимент: (a) графен на подложке из аморфного кремния, (b) морфология поверхности графена, © добавление кристаллической пластинки кремния, (d) изменение морфологии поверхности графена – «сморщивание» поверхности вокруг пластинки кремния. (e) зависимость силы трения и контактной площади от числа слоев в графене

Классическая теория трения предсказывает, что его возникновение обусловлено межатомным контактом двух поверхностей. Чем больше атомов контактируют — то есть сближаются на расстояние действия вандерваальсовых сил — тем сильнее трение, причем эта зависимость должна быть линейной. Этот параметр контакта называют «количеством поверхности». 

Однако в рамках такого описания невозможно объяснить изменение силы трения со временем, которое наблюдается в графене с несколькими слоями. Были предположения, что при взаимодействии поверхностей возможно их «сморщивание» и образование дополнительных контактов, но количественных оценок сил в таких случаях еще не проводилось. 

Результаты нового моделирования говорят о том, что на самом деле трение между кремнием и графеном обусловлено не только площадью соприкосновения. При уменьшении числа слоев с 4 до 1 контактная площадь возрастает только на 14 процентов, в то время как трение увеличивается на 80 процентов. Вклад остальных причин, обеспечивающих остальные 66 процентов трения и не поддающийся количественному описанию, авторы назвали «качеством поверхности», в противопоставление к «количеству».

Под качеством поверхности подразумевается дополнительное взаимодействие между атомами графена и кремния, которое приводит к сцеплению атомов в двух материалах. Добавочный вклад в величину силы за счет этого сцепления не описывается количественно новой площадью соприкосновения и практически исчезает уже при четырех слоях в графене. По словам авторов, такой механизм «в характере» гибкого графена: при уменьшении слоев атомам проще перемещаться, образовывать дислокации и налаживать более «тесные» связи с атомами другой поверхности.

Рис.2. Вклад сил атомных масштабов в трение в монослое графена. Образование дополнительных взаимодействий (изменение окрашивание точек a-c) приводит к увеличению «атомных» сил трения (d).

Необычные свойства графена сделали его одним из самых исследуемых новых материалов. Исследователи пытаются объяснить необычные свойства графена и найти им применение. Так, например, за высокую проводимость и биосовместимость графен назвали пригодным материалом для нейропотезов. Из графена предлагают делать суперъемкие конденсаторы, опреснители воды, более производительные микросхемы и даже оригами. Открытие графена было отмечено Нобелевской премией по физики за 2010 год.

Автор: Екатерина Жданова