Nel mondo macro, l’attrito non dipende dalla velocità con cui due superfici si muovono l’una sull’altra. Tuttavia, questo è esattamente ciò che i ricercatori di Basilea e Tel Aviv hanno ora osservato in strutture speciali di grafene su una superficie di platino.
Grazie al loro attrito potenzialmente basso, i materiali costituiti da singoli strati atomici sono interessanti per le applicazioni in cui è necessario ridurre l’attrito. Questo vale, ad esempio, per i dischi rigidi o per i componenti mobili dei satelliti o dei telescopi spaziali. Anche il grafene, ad esempio, che consiste in un singolo strato di atomi di carbonio disposti a nido d’ape, è oggetto di studio come possibile strato lubrificante. Studi precedenti hanno dimostrato, ad esempio, che un nastro di grafene può essere spostato su una superficie d’oro quasi senza attrito.
Risultati sorprendenti con superfici ruvide
Quando il grafene viene depositato su una superficie di platino, questo ha un effetto decisivo sulle forze di attrito misurabili. I fisici dell’Università di Basilea e dell’Università di Tel Aviv riportano ora sulla rivista scientifica Nano Letters che l’attrito in questo caso dipende dalla velocità con cui la punta di un microscopio a forza atomica (AFM, vedi riquadro) viene spostata sulla superficie. Si tratta di un risultato sorprendente, poiché secondo la legge di Coulomb, che si applica nel mondo macro, l’attrito non dipende dalla velocità.
Insieme al substrato di platino, il grafene non si limita più a formare il motivo esagonale a nido d’ape degli atomi di carbonio, ma crea delle sovrastrutture, le cosiddette strutture moiré. Ciò significa che la superficie non è più perfettamente piana, ma presenta una certa rugosità.
Quando muoviamo la punta AFM a bassa velocità su questa superficie leggermente ondulata, misuriamo una forza di attrito bassa e quasi costante", spiega Ernst Meyer dell’Istituto svizzero di nanoscienze e del Dipartimento di fisica dell’Università di Basilea. Al di sopra di una certa soglia, tuttavia, l’attrito aumenta con l’aumentare della velocità della punta del microscopio a forza atomica", aggiunge il primo autore, il dottor Yiming Song. Quanto più grande è la sovrastruttura moiré, tanto più basso è questo valore soglia, al di sopra del quale l’attrito diventa dipendente dalla velocità".
Come hanno scoperto i ricercatori, quando la punta si muove, aumenta la resistenza ai bordi delle sovrastrutture moiré. I bordi delle sovrastrutture si deformano elasticamente a causa della punta di spinta e si rilassano nuovamente quando la pressione è sufficientemente elevata. Questo effetto porta all’aumento delle forze di attrito, che diventano tanto maggiori quanto più veloce è il movimento della punta. Simulazioni e un modello analitico confermano i risultati sperimentali del team di ricerca internazionale.
Pubblicazione originale
Yiming Song, Xiang Gao, Antoine Hinaut, Sebastian Scherb, Shuyu Huang, Thilo Glatzel,Oded Hod, Michael Urbakh, Ernst Meyer
Dipendenza dalla velocità dell’attrito Moiré
Nano Letters (2022), doi: 10.1021/acs.nanolett.2c03667
Un microscopio a forza atomica (AFM) è dotato di un minuscolo raggio a molla con una punta affilata che viene fatto scorrere sulle superfici da esaminare. Forze attrattive e repulsive agiscono tra la punta e il campione, deflettendo il fascio di molle. Un raggio laser diretto sulla barra elastica, in combinazione con un fotosensore, misura la curvatura. Questi valori misurati vengono poi assemblati punto per punto per produrre un’immagine digitale della superficie.
Le punte del microscopio possono essere utilizzate anche per analizzare le proprietà magnetiche o elettriche dei campioni. Ad esempio, è anche possibile analizzare quali forze di attrito si verificano quando la punta scansiona un campione.
