Engomar limites de grãos de grafeno: as propriedades de fricção únicas de superfícies em camadas policristalinas

Superlubricidade refere-se a um fenômeno onde o deslizamento interfacial ocorre com atrito ultrabaixo, normalmente com coeficientes de atrito cinético (a mudança na força de atrito medida com a força regular aplicada durante o deslizamento) inferiores a ten^-3. Na interface de van der Waals formada entre superfícies cristalinas rígidas e incomensuráveis, emerge o deslizamento superlúbrico, mesmo na ausência de lubrificantes, devido ao cancelamento efetivo das forças laterais. O termo superlubricidade estrutural foi cunhado para enfatizar a natureza geométrica deste comportamento. A incomensurabilidade da rede interfacial pode ser alcançada torcendo ou deformando interfaces cristalinas homogêneas ou construindo contatos heterogêneos incorporando superfícies de diferentes parâmetros de rede.

Desde o seu início teórico e demonstrações experimentais em interfaces de materiais em camadas em escala nano e micro (por exemplo, grafeno e h-BN), a superlubricidade estrutural emergiu como uma abordagem promissora para reduzir efetivamente a dissipação de energia e o desgaste em várias escalas de comprimento. No entanto, em escalas maiores, a natureza policristalina dos materiais em camadas, exibindo um padrão de mosaico de grãos orientados aleatoriamente, separados por cadeias de deslocamento de contorno de grão (GB), representa desafios para o aumento da superlubricidade estrutural para aplicações macroscópicas. Embora a orientação aleatória dos grãos aumente a incomensurabilidade (e, portanto, suporte o comportamento superlúbrico), os GBs normalmente apresentam deformações superficiais fora do plano significativas (frequentemente chamadas de saliências) que podem impedir a superlubricidade e afetar a resistência ao desgaste. Portanto, compreender o impacto dos GBs no comportamento friccional dos contatos de materiais em camadas é essential para alcançar a superlubricidade em grandes interfaces de materiais em camadas.

O complexo comportamento de fricção de toda a estrutura do mosaico é determinado pela dinâmica da saliência particular person do GB e pela sua conversa cruzada com contrapartes adjacentes. Um recente estudo colaborativo experimental-teórico-computacional entre a Universidade de Basel e a Universidade de Tel Aviv teve como objetivo descobrir e compreender os mecanismos de dissipação de energia de saliências GB individuais.

Transição de flambagem/desencurvadura induzida por cisalhamento de um grafeno corrugado GB

Os pesquisadores mediram a força de atrito de GBs de grafeno policristalino cultivados em uma superfície de Pt (111), usando microscopia de força atômica (AFM) de alta resolução sob condições de vácuo ultra-alto. Eles descobriram que os GBs corrugados apresentam coeficiente de atrito diferencial negativo (NFC), onde a força de atrito diminui com o aumento da carga aplicada. Este comportamento contra-intuitivo contradiz a nossa experiência diária, onde a força de atrito é proporcional à carga regular, conforme afirma a famosa lei de Amontons. Eles também observaram que a força de atrito exibe uma dependência inesperada da velocidade não monotônica. Esses comportamentos foram marcadamente diferentes daqueles observados anteriormente em superestruturas moiré em áreas de grãos superficiais, onde foi observada força de atrito baixa (<10 pN) e quase constante em cargas normais e velocidades de deslizamento baixas, seguidas por um aumento linear ou logarítmico. Os pesquisadores concluíram, portanto, que diferentes mecanismos estão subjacentes ao comportamento de fricção nas regiões de grãos moiré e em GBs corrugados.

Para explicar esses resultados experimentais fascinantes, os pesquisadores conduziram simulações de dinâmica molecular (MD), revelando que o principal mecanismo de dissipação de energia das saliências GB envolve um processo dinâmico de flambagem fora do plano (ver filme). Quando a ponta do AFM desliza sobre um GB, ela curva qualquer saliência subjacente para baixo, semelhante a um processo de passar roupa. À medida que a ponta passa pela saliência curvada, esta sofre desafivelamento para a sua configuração unique. Este processo de flambagem e desafivelamento dissipa energia, levando a um maior atrito. Notavelmente, com o aumento da carga regular, a ondulação do GB é suprimida e o movimento fora do plano torna-se suave com baixa dissipação de energia e atrito reduzido. Consequentemente, GBs intrinsecamente planos, onde a flambagem dinâmica está quase ausente, exibem um comportamento de atrito muito semelhante ao das interfaces em camadas originais.

Embora tais simulações MD forneçam informações valiosas sobre os mecanismos subjacentes que se manifestam nas observações experimentais, com os recursos computacionais atuais elas permanecem limitadas a regimes de velocidade que são ordens de magnitude maiores do que aqueles acessíveis experimentalmente. Conseqüentemente, os pesquisadores aproveitaram os resultados da simulação MD para desenvolver um modelo fenomenológico de dois estados fisicamente motivado que captura os principais ingredientes necessários para descrever o mecanismo subjacente, ao mesmo tempo que permite a extrapolação dos resultados para condições experimentalmente relevantes.

O mecanismo de dissipação de energia revelado e sua dependência de parâmetros experimentais não se limitam ao caso de interfaces grafíticas e espera-se que esteja presente em inúmeras outras superfícies de materiais 2D policristalinos. Assim, explorando as propriedades de atrito não convencionais dos GBs, como o coeficiente de atrito negativo e a dependência não monotônica da velocidade, pode ser possível alcançar superlubricidade estrutural em larga escala sob condições de lubrificação a seco.