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摩擦也能具有各向異性？巴西研究員發(fā)現(xiàn)石墨烯的新特性！

2016-10-11 12:47:44 作者：本網(wǎng)整理來源：材料人分享至：

對于晶體材料來說，各向異性再普通不過，但你聽說過摩擦也有各向異性嗎？日前，巴西的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，石墨烯材料因其獨特的結(jié)構(gòu)，竟然具備摩擦各向異性。讓我們一睹為快！

    原子力顯微鏡尖端下觀察到的石墨烯片變形情況

    石墨烯是當(dāng)今研究最為廣泛的材料之一，而造成其研究熱度只增不減的原因也很簡單：石墨烯材料中單層碳原子排列組成重復(fù)的二維蜂窩狀六邊形，這一結(jié)構(gòu)使其具有厚度小、質(zhì)量輕以及強度高等特性。不僅如此，由于該材料的透明性好、柔韌度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電能力強且生產(chǎn)成本低，它的應(yīng)用前景可謂是廣闊無垠。

    迄今為止，針對石墨烯材料，科研人員開展的研究工作不計其數(shù)。盡管如此，就在不久前，巴西研究人員才剛剛發(fā)現(xiàn)該材料的一個新性能。他們將這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在Springer Nature出版的網(wǎng)絡(luò)期刊Scientific Reports上。

    誠如這一文章的標(biāo)題所說：“在納米尺度的摩擦上，石墨烯具有高度可調(diào)控的各向異性”。通過原子力顯微鏡的多角度觀察，研究人員發(fā)現(xiàn)了石墨烯具有高度的摩擦各向異性。

    材料的各向異性將導(dǎo)致其不同方位上的性能有所不同。“觀察顯示，顯微鏡尖端與石墨烯片層之間的摩擦力在很大程度上取決于觀測角度”，論文的作者之一，物理學(xué)家Douglas Soares Galv?o在Agência FAPESP的一次訪談中如是說道。

    “通過扶手椅型曲線散失的能量比通過鋸齒型曲線散失的能量高出80％之多。”

    Galv?o是巴西S?oPaulo州坎皮斯那州立大學(xué)物理研究所的正教授，計算工程與科學(xué)研究中心的研究員以及資助基金會建立的研究、創(chuàng)新和傳播中心的17名研究員之一。

    扶手椅型和鋸齒型曲線是有關(guān)于石墨烯材料邊緣幾何的結(jié)晶條件，也是這一研究的兩個主要方向。

    論文第一作者、物理學(xué)家Clara Muniz da Silva Almeida說道，“對于石墨，晶體幾何方向由摩擦力模式下的原子力顯微鏡決定，我們用這一手段確定石墨烯片層的方向并對納米尺度的摩擦力進行檢測。”

    Almeida領(lǐng)導(dǎo)著國家計量研究所材料計量分所的原子力顯微鏡實驗室，該實驗室以Duque de Caxias, Rio de Janeiro 州的Xerém學(xué)校為基礎(chǔ)。

    據(jù)該文所述，摩擦力的顯著各向異性以及由其引起的不同方向的能量耗散情況著實令人吃驚，原因在于石墨烯材料線性彈性性質(zhì)的各向異性。在石墨，其實也就是石墨烯片堆疊而成的材料中，不同晶體方向之間的能量耗散有可以預(yù)見微小差異。然而，研究員們的實驗觀測結(jié)構(gòu)卻與這一預(yù)見不盡相同：就能量的耗散來說，兩個不同方向之間的檢測結(jié)果竟能高達80％。

    Galv?o 說：“這要歸因于顯微鏡尖端引起石墨烯片層發(fā)生變形，而在不同方位上，這一變形的放大程度均有不同，從而導(dǎo)致摩擦力的差異。打個簡單的比方，我們用熨斗對布料進行熨燙，布料上便會形成褶皺。兩種現(xiàn)象有相似之處。”

    “我們震驚地發(fā)現(xiàn)，隨著石墨烯片層數(shù)量的增加，摩擦力也成比例地增加。這一現(xiàn)象同樣能用熨衣服的例子作比。當(dāng)多層布料層層疊加時，就會形成熨燙也不會變形的剛性結(jié)構(gòu)。同樣，在包含了多層石墨烯的石墨材料中，變形也是微乎其微的。然而，當(dāng)石墨烯片層數(shù)目縮減至一時，變形就相當(dāng)大了。”

    對于Almeida來說，“在顯微鏡尖端作用下，石墨烯片層產(chǎn)生的彎曲變形決定了不同方向上的波動。相比較扶手椅型方向，這一波動更容易沿著鋸齒型方向擴展。”

    這樣說來，好像不難理解。然而，為了解釋實驗發(fā)現(xiàn)的這種差異性，研究人員不得不結(jié)合三種強有力的理論模型：用以解釋原子尺度摩擦機制的Prandtl-Tomlinson模型、原子的分子動力學(xué)模型以及量子力學(xué)衍生出的密度泛函理論。

    研究人員表示，通過經(jīng)典的納米尺度的“歐拉失穩(wěn)”現(xiàn)象，我們可以這一現(xiàn)象的作用機理進行理解。偉大的瑞士數(shù)學(xué)家兼物理學(xué)家Leonhard Euler （1707-83）因屈曲臨界載荷公式而在結(jié)構(gòu)工程界享有盛名。

    石墨烯因其獨特的電、熱及機械性能而成為下一代電子元件和納機電系統(tǒng)生產(chǎn)的備選材料。要想真正將其用于這些領(lǐng)域，就要對石墨烯及其他二維材料機械和摩擦性能機理有一定深度的理解（摩擦學(xué)包括相對運動中相互作用表面之間的設(shè)計、摩擦、穿戴及潤滑）。

    Almeida強調(diào)說，“這種各向異性是納米電磁系統(tǒng)建立的關(guān)鍵因素，原因在于系統(tǒng)的設(shè)計需要晶體取向的先驗知識。絕大多數(shù)情況下，石墨烯等二維材料的性質(zhì)與三維結(jié)構(gòu)材料大不相同，石墨就是例子。”

    Almeida在巴西國家計量協(xié)會的團隊于2010年開始進行石墨烯的研究。自彼時起，他們便專注于石墨烯缺陷測量，利用原子力顯微鏡進行石墨烯片層晶體取向觀察并用其控制石墨烯，以期制備出新型納米結(jié)構(gòu)，得到了如今石墨烯納米摩擦領(lǐng)域的重大進展。