A volte, i risultati sperimentali suscitano un’enorme curiosità ispirando una miriade di domande e idee per ulteriori sperimentazioni. Nel 2004, Geim e Novoselov, dell'Università di Manchester, hanno isolato un singolo strato di grafene dalla grafite con il "metodo dello scotch" per il quale hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 2010. Questo risultato sperimentale si è ramificato innumerevoli volte fungendo da fonte di ispirazione in tanti campi diversi. Ora siamo nel bel mezzo di una serie di ramificazioni nella ricerca sul grafene, e uno di questi rami che attira l’attenzione è l’attrito ultra basso osservato tra il grafene e altri materiali di superficie.
Molto è stato imparato sul grafene negli ultimi 15 anni attraverso un'immensa quantità di ricerche, la maggior parte delle quali in ambiti non meccanici (ad esempio, misurazioni del trasporto di elettroni, conduttività termica, campi pseudo magnetici nell'ingegneria della deformazione). Tuttavia, la superlubrificazione, un fenomeno meccanico, è diventata l’attenzione di molti gruppi di ricerca. Le misurazioni meccaniche hanno notoriamente dimostrato che la resistenza alla trazione del grafene è centinaia di volte superiore a quella dell'acciaio più resistente, posizionandolo indiscutibilmente in cima alla lista dei materiali da costruzione migliori per un costume da supereroe. La superlubrificazione è una proprietà tribologica del grafene ed è, probabilmente, altrettanto impressionante quanto la resistenza alla trazione del grafene.
La tribologia è lo studio delle superfici interagenti durante il movimento relativo, comprese le fonti di attrito e i metodi per la sua riduzione. Non è una scoperta recente che rivestire una superficie con grafite (molti strati di grafene) può ridurre l'attrito tra due superfici scorrevoli. La ricerca attuale studia i meccanismi precisi e le superfici con cui ridurre al minimo l'attrito con uno o più strati di grafene.
La ricerca pubblicata nel Nature Materials in 2018 misura l'attrito tra superfici sotto carico e velocità costanti. L'esperimento comprende due gruppi; uno costituito da due superfici di grafene (giunzione omogenea) e un altro costituito da grafene e nitruro di boro esagonale (giunzione eterogenea). Il gruppo di ricerca misura l'attrito utilizzando la microscopia a forza atomica (AFM). Il nitruro di boro esagonale (o grafene per una giunzione omogenea) è fissato allo stadio dell'AFM mentre il grafene scorre sopra. I carichi sono mantenuti costanti a 20 𝜇N e la velocità di scorrimento costante a 200 nm/s. Si osserva un attrito estremamente basso per giunzioni omogenee quando le strutture reticolari cristalline sottostanti delle superfici si trovano ad un angolo relativo di 30 gradi. Tuttavia, questo stato di attrito ultra basso è molto instabile e durante lo scorrimento, le superfici ruotano verso un allineamento reticolare bloccato. L'attrito varia rispetto all'angolo relativo tra le strutture reticolari cristalline delle due superfici. L'attrito minimo (ultra basso) si verifica con un angolo relativo di 30 gradi, raggiungendo il massimo quando si realizza l'allineamento del reticolo bloccato durante lo scorrimento. Mentre si trova in uno stato di allineamento del reticolo, il taglio è reso impossibile con la configurazione sperimentale a causa della quantità relativamente grande di attrito.
L'attrito varia rispetto all'angolo relativo delle strutture reticolari cristalline ed è quindi anisotropo. Ad esempio, il fatto che sia necessaria meno forza per spaccare il legno quando la lama di un'ascia viene applicata parallelamente alle sue venature rispetto a quando viene applicata perpendicolarmente illustra la natura anisotropa del legno, poiché la forza per spaccare il legno dipende dalla direzione lungo la quale viene applicata la forza. . L'anisotropia frizionale è maggiore nelle giunzioni omogenee perché la tendenza ad orientarsi in un allineamento bloccato, di massimo attrito, è maggiore rispetto alle eterogiunzioni. Infatti, le giunzioni eterogenee sperimentano un’anisotropia frizionale tre ordini di grandezza inferiore rispetto alle giunzioni omogenee. Le giunzioni eterogenee mostrano un'anisotropia di attrito molto inferiore a causa di un disallineamento del reticolo quando l'angolo tra i vettori del reticolo è al minimo. In altre parole, le strutture reticolari cristalline del grafene e dell'hBN non sono mai parallele perché i materiali differiscono, quindi, non subiscono mai l'impatto dell'allineamento reticolare come fanno le giunzioni omogenee. Pertanto, le giunzioni eterogenee non rimangono bloccate nello stato di alto attrito che caratterizza quelle omogenee, e sperimentano un attrito ultra basso durante lo scorrimento a tutti gli angoli relativi della struttura reticolare cristallina.
Presumibilmente, per aumentare l'applicabilità, sarà necessario l'upscaling a carichi molto più grandi. Un metodo economicamente vantaggioso su larga scala per ridurre drasticamente l’attrito avrebbe senza dubbio un impatto enorme su un gran numero di settori. L’efficienza in termini di costi è una componente chiave per realizzare il potenziale impatto del grafene, non solo per quanto riguarda la superlubrificazione, ma in tutte le aree di applicazione. Con l’aumento dell’accesso a grandi quantità di grafene a prezzi accessibili, aumenteranno anche gli esperimenti nella fabbricazione di dispositivi che sfruttano le straordinarie caratteristiche che hanno posto il grafene e i materiali a base di grafene in prima linea nella ricerca sui materiali negli ultimi due decenni.
Fonte: https://quantumfrontiers.com/2020/03/24/achieving-superlubricity-with-graphene/
