Магнетен - графеноподобный двумерный материал

Магнетен может найти полезное применение в качестве смазки в имплантируемых устройствах или других микроэлектромеханических системах.

Группа исследователей из Инженерного университета Торонто и Университета Райса сообщила о первых измерениях сверхнизкого трения материала, известного как магнетен. Результаты указывают на стратегию разработки подобных материалов с низким коэффициентом трения для использования в различных областях, включая крошечные имплантируемые устройства.

Использование квантовых эффектов для достижения сверхнизкого трения

Магнетен - двумерный материал, то есть состоит из одного слоя атомов. В этом отношении он похож на графен, материал, который интенсивно изучается благодаря своим необычным свойствам - включая сверхнизкое трение - с момента его открытия в 2004 году.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

"Большинство двумерных материалов формируются в виде плоских листов", - говорит кандидат наук Питер Серлес, ведущий автор новой работы, опубликованной 17 ноября 2021 года в журнале Science Advances.

"Теория заключалась в том, что эти листы графена демонстрируют низкий уровень трения, потому что они очень слабо связаны друг с другом и легко скользят относительно друг друга. Вы можете представить себе это как разворачивание колоды игральных карт: не требуется больших усилий, чтобы разложить колоду, потому что трение между картами очень мало".

Команда, в которую входят профессора Тобин Филлетер и Чандра Вир Сингх, пост-доктор Шветанк Ядав, а также несколько нынешних и дипломированных студентов из их лабораторных групп, хотела проверить эту теорию, сравнив графен с другими двумерными материалами.

В то время как графен состоит из углерода, магнетен изготавливается из магнетита, разновидности оксида железа, который обычно существует в виде трехмерной решетки. Сотрудники группы из Университета Райса обработали 3D магнетит с помощью высокочастотных звуковых волн, чтобы аккуратно отделить слой, состоящий всего из нескольких листов 2D магнетена.

Затем команда инженеров Университета Торонто поместила листы магнетита в атомно-силовой микроскоп. В этом приборе зонд с острым концом проводится по верхней части листа магнетена для измерения трения. Этот процесс можно сравнить с тем, как игла проигрывателя проводит по поверхности виниловой пластинки.

"Связи между слоями магнетена намного прочнее, чем между стопкой графеновых листов", - говорит Серлес. "Они не скользят друг по другу. Что нас удивило, так это трение между кончиком зонда и самым верхним срезом магнетена: оно было таким же низким, как и в графене".

До сих пор ученые объясняли низкое трение графена и других двумерных материалов теорией о том, что листы могут скользить, потому что они связаны только слабыми силами, известными как силы Ван-дер-Ваальса. Однако низкое трение магнетена, который не проявляет этих сил из-за своей структуры, говорит о том, что происходит что-то другое.

"Когда вы переходите от трехмерного материала к двухмерному, начинает происходить много необычных вещей из-за эффектов квантовой физики", - говорит Серлес. "В зависимости от того, под каким углом вы делаете срез, он может быть очень гладким или очень шероховатым. Атомы уже не так ограничены в третьем измерении, поэтому они могут вибрировать по-разному. Меняется и электронная структура. Мы обнаружили, что все это вместе влияет на трение".

Команда подтвердила роль этих квантовых явлений, сравнив свои экспериментальные результаты с результатами, предсказанными компьютерным моделированием. Ядав и Сингх построили математические модели на основе теории функции плотности, чтобы смоделировать поведение наконечника зонда, скользящего по двумерному материалу. Модели, включающие квантовые эффекты, лучше всего предсказывали экспериментальные наблюдения.

Серлес говорит, что практический результат результатов работы команды заключается в том, что они предлагают новую информацию для ученых и инженеров, которые хотят намеренно разрабатывать материалы с ультранизким коэффициентом трения. Такие вещества могут быть полезны в качестве смазочных материалов в различных малогабаритных приложениях, включая имплантируемые устройства.

Например, можно представить себе крошечный насос, который доставляет контролируемое количество определенного лекарства в определенную часть тела. Другие виды микроэлектромеханических систем могут собирать энергию бьющегося сердца для питания датчика или крошечного роботизированного манипулятора, способного отсортировать один тип клеток от другого в чашке Петри.

"Когда вы имеете дело с такими крошечными движущимися частицами, отношение площади поверхности к массе очень велико", - говорит Филлетер, автор-корреспондент нового исследования. "Это означает, что вероятность застревания гораздо выше. В данной работе мы показали, что именно из-за крошечного размера эти двумерные материалы обладают таким низким трением". Эти квантовые эффекты не применимы к более крупным, трехмерным материалам".

Серлес говорит, что эти эффекты, зависящие от масштаба, в сочетании с тем, что оксид железа нетоксичен и недорог, делают магнетен очень привлекательным для использования в имплантируемых механических устройствах. Но он добавляет, что предстоит еще много работы, прежде чем квантовое поведение будет полностью изучено.

"Мы пробовали использовать другие типы двумерных материалов на основе железа, такие как гематен или хромитин, и не увидели тех же квантовых признаков или поведения при низком трении", - говорит он. "Поэтому нам необходимо выяснить, почему возникают эти квантовые эффекты, что может помочь нам более тщательно подходить к разработке новых видов материалов с низким коэффициентом трения". опубликовано econet.ru по материалам electrive.com

Лучшие публикации в Telegram-канале Econet.ru. Подписывайтесь!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet