В макромасштабе добавление атомов фтора к основанным на углероде материалам делает для водного репеллента, не допускающих пригорания поверхностей, таких как Тефлон. Однако на наноразмерном, добавляющем фторе к графену, как сообщали, значительно увеличил трение, испытанное, скользя против материала.
Через комбинацию физических экспериментов и атомистических моделирований, команда Пенна обнаружила механизм позади этого открытия удивления, которое могло помочь исследователям лучше проектировать и управлять поверхностными свойствами новых материалов.Исследование было во главе с постдокторским исследователем Кунайангом Ли, аспирантом Синь-Чжоу Лю и Робертом Карпиком, преподавателем и председателем Отдела Машиностроения и Прикладной Механики в Школе Пенна Технических наук и прикладной науки. Они сотрудничали с Вивеком Шеноем, преподавателем в Отделе Материаловедения и Разработки. Контингент Пенна также работал с исследователями из Военно-морской Научно-исследовательской лаборатории и Университета Брауна.
Работа была издана в Нано Письмах.Помимо его применений в схеме и датчиках, графен представляет интерес как суперпрочное покрытие. Поскольку компоненты механических и электрических систем становятся меньшими, они все более и более восприимчивы к износу. Составленный из меньшего количества атомов, чем их коллеги макромасштаба, каждый атом то, что намного более важен для полной структуры и функции компонента.
«Один из главных механизмов неудачи для этих небольших устройств – трение и прилипание», сказал Лю. «Поскольку графен настолько прочный, тонкий и гладкий, одно из его возможного применения должно уменьшить трение и увеличить продолжительность жизни этих устройств. Мы хотели лучше понять фундаментальные механизмы того, как добавление других атомов влияет на трение графена».
Добавление атомов фтора к углеродной решетке графена делает для интригующей комбинации когда дело доходит до тех свойств.«Вообще говоря», Карпик сказал, «фтор делает поверхности более водоотталкивающими и не допускающими пригорания. Гортекс и Тефлон, например, получают их свойства от фтора.
Тефлон – фторировавший углеродный полимер, таким образом, мы думали, что фторировавший графен мог бы быть похожим на двумерный Тефлон».Чтобы проверить свойства трения этого материала, исследователи Пенна сотрудничали с Полом Шиэном и Джереми Робинсоном из Военно-морской Научно-исследовательской лаборатории. Шиэн и Робинсон были первыми, чтобы обнаружить фторировавший графен и являются экспертами в производстве образцов материала к спецификации.«Это означало, что мы смогли систематически изменить степень фторирования в наших графеновых образцах и определить количество его точно», сказал Лю. «Это позволило нам сделать точные сравнения, когда мы проверили трение этих различных образцов с атомным микроскопом силы, ультрачувствительным инструментом, который может измерить силы наноньютона».
Исследователи были удивлены найти, что добавление фтора к графену увеличило трение материала, но не могло немедленно объяснить ответственный механизм. Другая группа исследователей одновременно сделала то же самое наблюдение; они также показали, что добавление фтора увеличило жесткость графеновых образцов и выдвинуло гипотезу, что это было ответственно за увеличенное трение.Исследователи Пенна, однако, думали, что другой механизм должен работать. Они обратились к Shenoy, экспертные знания которого находятся в развитии моделирований на уровне атомов механического действия, чтобы помочь объяснить, что добавление фтора делало на поверхность графена.
«У нас нет микроскопа, который может визуализировать то, что происходит в этом мелком масштабе», сказал Шеной, «но есть небольшое количество достаточно атомов, которые мы можем смоделировать, как они ведут себя с высокой степенью точности».«Это оказывается этим, добавляя фтор», сказал Лю, «мы изменяем энергетический пейзаж морщины графена. Мы по существу вводим электронную грубость, которая в наноразмерном, может действовать как физическая грубость в увеличивающемся трении».
Во фторировавшем графене атомы фтора действительно выставляют из самолета атомов углерода, но физические изменения в высоте бледнели по сравнению с изменениями местной энергии каждый произведенный атом фтора.«В наноразмерном», сказал Карпик, «трение только определено размещением атомов, но также и сколько энергии находится в их связях. У каждого атома фтора есть так много электронного обвинения, что Вы получаете высокие пики и глубокие долины, промежуточные их, по сравнению с гладким самолетом обычного графена.
Вы могли сказать, что это похоже на понижение попытки по гладкой дороге против ухабистой дороги».Вне значения для приложений покрытия графена результаты команды обеспечивают фундаментальное понимание поверхностных свойств графена.«Каждый материал взаимодействует с миром через его поверхность», сказал Карпик, «настолько понимающие и управляющие поверхностные свойства – трение, прилипание, взаимодействия с водой, катализом – являются крупнейшими, продолжающимися областями научного исследования. Наблюдение, что трение увеличений фтора в графене – не обязательно плохая вещь, так как это может дать нам способ скроить ту собственность к данному применению.
Это также поможет нам понять, как добавление других элементов, как водород или кислород, могло бы влиять на те свойства».Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Институтом Кореи Оборудования и Материалов и Офиса Военно-морского Исследования.