物理学者は、グラフェンの異常な摩擦の発生を説明します

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ビデオ: 103 磁気活水の原理 2022, 12月
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導電性インクの製造に使用されるアルコール中のグラフェンの懸濁液

科学者の国際チームは、グラフェンの摩擦力の異常な振る舞いを説明しました。摩擦が時間に依存することからなるこの現象は、古典的な摩擦理論で通例である「表面の量」だけでなく、「品質」、つまり相互作用の追加メカニズムの存在によっても説明されます。接触面の。この研究は、ジャーナルNatureの新刊に掲載されています。

グラファイト(多層グラフェンと見なすことができます)は、高圧条件下での乾燥潤滑剤として長い間業界で使用されてきました。マクロメカニズムからミクロメカニズムへの移行により、最小の摩擦部分の間に乾燥潤滑剤の需要が残ります。層数の少ないグラフェンは、このような潤滑剤の自然な候補です。ただし、初期の実験では、グラフェン単分子層をこのように使用すると、グラファイトよりも摩擦が大きくなることが示されました。摩擦の絶対値は異常であるだけでなく、その動作も異常です。摩擦は時間とともに成長し、一定の値を取ります。有望な材料としてのグラフェンへの幅広い関心にもかかわらず、時変摩擦のプロセスはまだ詳細に研究されていません。

新しい記事の著者のチームは、分子動力学法を使用して異常な摩擦が観察された実験の条件を再現しました。個々の原子の振る舞いのモデリングに基づいています。計算実験の過程で、小さな円形の結晶シリコンプレートがアモルファスシリコン基板上にあるグラフェン上に配置されました。平衡が確立された後、0.8ナノニュートンの一定の力が1つの軸に沿ってこのプレートに適用され、摩擦力の大きさ、シリコンとグラフェンの接触面積の変化、および表面のタイプが監視されました。計算は、異なる層数(N = 1〜4)のグラフェンに対して実行されました。システム全体が一定の温度に維持されました。

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摩擦の古典的な理論は、その発生が2つの表面の原子間接触によるものであると予測しています。接触している原子が多いほど(つまり、ファンデルワールス力の作用距離に近づくほど)、摩擦が強くなり、この依存性は線形になるはずです。この接触パラメータは「表面量」と呼ばれます。

しかし、そのような記述の枠組みの中で、数層のグラフェンで観察される摩擦力の経時変化を説明することは不可能です。表面の相互作用は、それらの「しわ」と追加の接触の形成のために可能であるという仮定がありましたが、そのような場合の力の定量的推定はまだ実行されていません。

新しいシミュレーションの結果は、実際、シリコンとグラフェンの間の摩擦は接触面積だけに起因するのではないことを示唆しています。層の数を4から1に減らすと、接触面積は14%しか増加しませんが、摩擦は80%増加します。残りの原因の寄与は、摩擦の残りの66%を提供し、定量的な説明に従わない、著者は「量」ではなく「表面品質」と呼びました。

表面品質とは、グラフェンとシリコン原子間の追加の相互作用を指し、2つの材料の原子の付着につながります。この付着による力の大きさへの追加の寄与は、新しい接触面積によって定量的に説明されておらず、グラフェンの4つの層ですでに実際に消えています。著者によると、このようなメカニズムは柔軟なグラフェンの「性質」にあります。層が減少すると、原子が移動し、転位を形成し、別の表面の原子とより緊密な結合を確立しやすくなります。

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グラフェンの異常な特性により、グラフェンは最も研究されている新素材の1つになっています。研究者たちは、グラフェンの異常な特性を説明し、それらの用途を見つけようとしています。たとえば、その高い導電性と生体適合性のために、グラフェンは神経障害に適した材料に選ばれました。グラフェンから超容量コンデンサ、水蒸留器、より効率的なマイクロ回路、さらには折り紙を作ることが提案されています。グラフェンの発見は、2010年のノーベル物理学賞を受賞しました。

エカテリーナ・ズダノバ

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