Графен - двухмерная (2D) форма углерода, содержащая слои всего в атом толщиной, он всегда был предметом широкого исследования, в значительной степени из-за своей уникальной прочности, электропроводности и химической стойкости. Но несмотря на многие годы исследований, некоторые из фундаментальных свойств графена до сих пор недостаточно хорошо изучены, в том числе его свойства при скольжении по его поверхности.

Теперь, используя мощные компьютерные симуляции, исследователи Массачусетского технологического университета (MIT), а также и другие исследовательские центры добились значительных успехов в изучении этого процесса. Это включает определение, почему трение варьируется в процессе скольжения по графену, вместо того, чтобы оставаться постоянным, как это происходит с большинством других известных материалов.

Полученные результаты опубликованы в статье “О Природе” написанной Ю. Ли - профессором ядерной физики и техники, материаловедения и инженерии в Массачусетском технологическом институте, а также другими 7-ю исследователями в MIT, Университет Пенсильвании и университетах в Китае и Германии.

Графит - сыпучий материал, состоящий из многих слоев графена, является известной твердой смазкой (так же, как масло, он может быть добавлен между контактирующими материалами для уменьшения трения). Последние исследования показывают, что даже один или несколько слоев графена могут также обеспечить эффективную смазку, которая может оказаться полезна в малых тепловых и электрических контактах и других наноустройствах.

Трения между двумя кусками графена или между графеном и другим материалом имеет важное значение для поддержания хорошего электрического, теплового и механического соединения. Исследователи ранее обнаружили, что в то время как один слой графена на поверхности уменьшает трение, несколько слоев дают еще больший эффект. Тем не менее, этот факт, еще не до конца понятен ученным.

"Существует устоявшееся мнение в трибологии, что трение зависит от истинной площади контакта," говорит Ли, то есть область, где два материала действительно находятся в контакте, вплоть до атомного уровня. «Истинная» площадь контакта часто существенно меньше, чем это кажется при рассмотрении в крупном масштабе. Определение истинной площади контакта важно для понимания не только степени трения между материалами, но и другими характеристиками, таких как электропроводность и теплопередача.

Соавтор Роберт Кэприк из Университета Пенсильвании приводит пример: "Когда две части в машине вступают в контакт, как например зубья шестеренок, то контакт между ними происходит только в верхних точках. Если бы поверхности полировались, чтобы быть более плоскими так, чтобы вдвое больше области контактировали между собой, трение тогда было бы вдвое более высоким. Другими словами, сила трения удваивается, если истинная область прямого контакта увеличивается".

Однако, ситуация является еще более сложной, чем первоначально предполагалось. Ли и его коллеги обнаружили, что другие аспекты контакта также влияют на то, как сила трения передается через него. Они называют это свойство - качеством контакта.

Для того, чтобы определить качество контакта, необходимо знать точное положение каждого атома на каждой из двух поверхностей объектов. Данные факторы оказались намного важнее «истинной» площади контакта, согласно компьютерному моделированию.

Ряд факторов может повлиять на качество контакта, в том числе жесткость поверхностей объектов трения, кривизна а также молекулы газа, находящиеся между 2-мя твердыми поверхностями, говорит Ли. Но теперь уже понимая, как работает процесс, инженеры теперь могут предпринять конкретные шаги, чтобы изменить фрикционное поведение графена для точного использования в определенной сфере. Например, деформация графена может придать ему большую гибкость и улучшить качество контакта. "Мы можем использовать данный метод, чтобы изменить трение в три раза, в то время как истинная площадь контакта почти не изменится" говорит он.

"Другими словами, не только сам материал определяет трение, но и условия - является ли объект деформированным и шероховатым или плоским и упругий, объясняет Ли. И эти принципы применимы не только к графену, но и к другим 2D материалам, таким как дисульфид молибдена, нитрид бора, а также другим одноатомным или сложно молекулярным материалам.

«Потенциально, движущийся механический контакт мог бы использоваться в качестве приборов, по типу - выключателей питания в маленьких электронных устройствах», говорит Ли. Но до этого еще далеко; В то время как графен является перспективным материалом, уже широко изученным. "Мы все еще надеемся, что из графена будут производить электронику и 2D материалы. В будущем это будет перспективной областью промышленности."