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类石墨烯二维材料利用量子效应实现超低摩擦

导读来自多伦多大学工程学院和莱斯大学的一组研究人员报告了对称为磁烯的材料的超低摩擦行为的首次测量。结果为设计用于各种领域的类似低摩擦材

来自多伦多大学工程学院和莱斯大学的一组研究人员报告了对称为磁烯的材料的超低摩擦行为的首次测量。结果为设计用于各种领域的类似低摩擦材料的策略指明了道路,包括微型可植入设备。

Magnetene 是一种二维材料,这意味着它由单层原子组成。在这方面,它类似于石墨烯,石墨烯是一种自 2004 年被发现以来因其不寻常的特性(包括超低摩擦)而被深入研究的材料。

“大多数 2D 材料形成为平板,”博士说。候选人 Peter Serles 是今天发表在Science Advances上的新论文的主要作者。

“理论是这些石墨烯片表现出低摩擦行为,因为它们只是非常弱的结合,并且很容易相互滑动。你可以想象它就像散开一副扑克牌:不需要太多努力把牌摊开,因为牌之间的摩擦真的很小。”

该团队包括 Tobin Filleter 教授和 Chandra Veer Singh 教授、博士后 Shwetank Yadav 以及他们实验室小组的几位在读和毕业学生,他们希望通过将石墨烯与其他 2D 材料进行比较来测试这一理论。

石墨烯由碳制成,而磁铁矿由磁铁矿制成,磁铁矿是氧化铁的一种形式,通常以 3D 晶格形式存在。该团队在莱斯大学的合作者使用高频声波处理 3D 磁铁矿,小心地分离出仅由几片 2D 磁铁组成的层。

多伦多大学工程团队随后将磁片放入原子力显微镜中。在这个装置中,一个尖尖的探针被拖过磁片的顶部来测量摩擦力。该过程类似于将唱机的手写笔拖过黑胶唱片的表面。

博士生 Peter Serles 在原子力显微镜中放置了一个磁体样本。这种材料的新测量和模拟表明,它的低摩擦行为是由于量子效应。图片来源:Daria Perevezentsev / 多伦多大学工程学院

“磁烯层之间的键合比一堆石墨烯片之间的键强得多,”Serles 说。“它们不会相互滑过。令我们惊讶的是探针尖端和最上面的磁烯片之间的摩擦力:它与石墨烯中的摩擦力一样低。”

到目前为止,科学家们将石墨烯和其他 2D 材料的低摩擦归因于这样一种理论,即薄片可以滑动,因为它们仅通过称为范德华力的弱力结合在一起。但是,由于其结构,磁烯的低摩擦行为并没有表现出这些力,这表明还有其他事情正在发生。

“当你从 3D 材料转向 2D 材料时,由于量子物理学的影响,许多不寻常的事情开始发生,”Serles 说。“根据你切割切片的角度,它可以非常光滑或非常粗糙。原子不再受第三维的限制,因此它们可以以不同的方式振动。电子结构也会发生变化。我们发现所有这些共同影响摩擦。”

该团队通过将实验结果与计算机模拟预测的结果进行比较,证实了这些量子现象的作用。Yadav 和 Singh 构建了基于密度泛函理论的数学模型来模拟探针在 2D 材料上滑动的行为。包含量子效应的模型是实验观察的最佳预测器。

Serles 说,该团队研究结果的实际结果是,它们为希望有意设计超低摩擦材料的科学家和工程师提供了新信息。这些物质可能在各种小规模应用中用作润滑剂,包括可植入设备。

例如,人们可以想象一个微型泵将受控量的给定药物输送到身体的某个部位。其他类型的微机电系统可以收集心脏跳动的能量来为传感器供电,或者为能够在培养皿中从另一种类型的细胞中分拣出一种类型的细胞的微型机器人操纵器供电。

“当你处理如此微小的运动部件时,表面积与质量的比率非常高,”新研究的通讯作者菲勒特说。“这意味着事情更有可能陷入困境。我们在这项工作中所展示的是,正是由于它们的微小尺寸,这些 2D 材料具有如此低的摩擦力。这些量子效应不适用于更大的 3D 材料.”

Serles 说,这些与尺度相关的效应,再加上氧化铁无毒且价格低廉的事实,使得磁石在可植入机械设备中的使用非常有吸引力。但他补充说,在完全理解量子行为之前,还有更多工作要做。

“我们已经用其他类型的铁基 2D 材料(例如赤铁矿或铬铁矿)尝试了这一点,但我们没有看到相同的量子特征或低摩擦行为,”他说。“所以我们需要将这些量子效应发生的原因归零,这可以帮助我们更有意识地设计新型低摩擦材料。”

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