Uneori, rezultatele experimentale stârnesc o curiozitate enormă, inspirând o multitudine de întrebări și idei pentru experimentare ulterioară. În 2004, Geim și Novoselov, de la Universitatea din Manchester, au izolat un singur strat de grafen din grafit în vrac cu „Metoda Scotch Tape” pentru care au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 2010. Acest rezultat experimental s-a ramificat de nenumărate ori, servind drept sursă de inspirație în cât mai multe domenii diferite. Suntem acum în mijlocul unei game de ramificări în cercetarea grafenului, iar una dintre acele ramuri care atrage atenția este frecarea ultra scăzută observată între grafen și alte materiale de suprafață.  

S-au învățat multe despre grafen în ultimii 15 ani printr-o cantitate imensă de cercetări, majoritatea în domenii non-mecanice (de exemplu, măsurători de transport de electroni, conductivitate termică, câmpuri pseudomagnetice în ingineria deformațiilor). Cu toate acestea, superlubricitatea, un fenomen mecanic, a devenit punctul central al multor grupuri de cercetare. Măsurătorile mecanice au arătat că rezistența la tracțiune a grafenului este de sute de ori mai mare decât cea a celui mai puternic oțel, plasându-l indiscutabil în topul listei de materiale de construcție cele mai bune pentru un costum de supererou. Superlubricitatea este o proprietate tribologică a grafenului și este, probabil, la fel de impresionantă ca și rezistența la tracțiune a grafenului.

Tribologia este studiul suprafețelor care interacționează în timpul mișcării relative, inclusiv sursele de frecare și metodele de reducere a acesteia. Nu este o descoperire recentă că acoperirea unei suprafețe cu grafit (multe straturi de grafen) poate reduce frecarea dintre două suprafețe de alunecare. Cercetările actuale studiază mecanismele și suprafețele precise pentru care să minimizeze frecarea cu un singur sau mai multe straturi de grafen. 

Cercetarea publicată în Materiale Natura în 2018 măsoară frecarea dintre suprafețe sub sarcină și viteză constante. Experimentul include două grupuri; una constând din două suprafețe de grafen (joncțiune omogenă) și alta constând din grafen și nitrură de bor hexagonală (joncțiune eterogenă). Grupul de cercetare măsoară frecarea utilizând microscopia de forță atomică (AFM). Nitrura de bor hexagonală (sau grafenul pentru o joncțiune omogenă) este fixată pe treapta AFM în timp ce grafenul alunecă deasupra. Sarcinile sunt menținute constante la 20 𝜇N și viteza de alunecare constantă la 200 nm/s. Frecarea ultra scăzută este observată pentru joncțiunile omogene atunci când structurile rețelei cristaline subiacente ale suprafețelor se află la un unghi relativ de 30 de grade. Cu toate acestea, această stare de frecare ultra scăzută este foarte instabilă și, la alunecare, suprafețele se rotesc spre o aliniere a rețelei blocate. Frecarea variază în raport cu unghiul relativ dintre structurile rețelei cristaline ale celor două suprafețe. Frecarea minimă (ultra scăzută) are loc la un unghi relativ de 30 de grade atingând un maxim atunci când alinierea rețelei blocată este realizată la alunecare. În timp ce se află într-o stare de aliniere a rețelei, forfecarea este imposibilă cu configurația experimentală din cauza cantității relativ mari de frecare.

Frecarea variază în raport cu unghiul relativ al structurilor rețelei cristaline și este, prin urmare, anizotropă. De exemplu, faptul că este nevoie de mai puțină forță pentru a despica lemnul atunci când o lamă de topor este aplicată paralel cu granulele sale decât atunci când este aplicată perpendicular, ilustrează natura anizotropă a lemnului, deoarece forța de a despica lemnul depinde de direcția de-a lungul căreia este aplicată forța. . Anizotropia de frecare este mai mare în joncțiunile omogene, deoarece tendința de a se orienta într-o aliniere de frecare maximă blocată, este mai mare decât în ​​cazul heterojoncțiilor. De fapt, joncțiunile eterogene experimentează anizotropie de frecare cu trei ordine de mărime mai mică decât joncțiunile omogene. Joncțiunile heterogene prezintă mult mai puțină anizotropie de frecare din cauza unei nealiniere a rețelei atunci când unghiul dintre vectorii rețelei este la minim. Cu alte cuvinte, structurile rețelei cristaline de grafen și hBN nu sunt niciodată paralele, deoarece materialele diferă, prin urmare, nu suferă niciodată impactul alinierii rețelei, așa cum fac joncțiunile omogene. Prin urmare, joncțiunile eterogene nu se blochează într-o stare de frecare mare care le caracterizează pe cele omogene și experimentează frecare ultra scăzută în timpul alunecării la toate unghiurile relative ale structurii rețelei cristaline.

Probabil, pentru a crește aplicabilitatea, va fi necesară extinderea la sarcini mult mai mari. O metodă rentabilă la scară largă pentru a reduce drastic frecarea ar avea, fără îndoială, un impact enorm asupra unui număr mare de industrii. Eficiența costurilor este o componentă cheie pentru realizarea impactului potențial al grafenului, nu numai în ceea ce privește supralubricitatea, ci și în toate domeniile de aplicare. Pe măsură ce accesul la cantități mari de grafen la prețuri accesibile crește, la fel va crește și experimentele de fabricare a dispozitivelor care exploatează caracteristicile extraordinare care au plasat grafenul și materialele pe bază de grafen pe linia inițială a cercetării materialelor în ultimele două decenii.

Sursa: https://quantumfrontiers.com/2020/03/24/achieving-superlubricity-with-graphene/