Ο μαγνητίτης – ένα δισδιάστατο υλικό που μοιάζει με γραφένιο – μεγιστοποιεί τα κβαντικά αποτελέσματα για την επίτευξη εξαιρετικά χαμηλής τριβής

Οι μαγνητίτες μπορούν να έχουν χρήσιμες εφαρμογές ως λιπαντικό σε εμφυτεύσιμες συσκευές ή άλλα μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα.

Μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Τορόντο Μηχανική και το Πανεπιστήμιο Rice ανέφεραν τις πρώτες μετρήσεις της εξαιρετικά χαμηλής συμπεριφοράς τριβής ενός υλικού που είναι γνωστό ως μαγνητίτης. Τα αποτελέσματα δείχνουν τον δρόμο προς στρατηγικές για το σχεδιασμό παρόμοιων υλικών χαμηλής τριβής για χρήση σε διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένων των εμφυτεύσιμων μικροσυσκευών.

Ο μαγνητίτης είναι μια δισδιάστατη ουσία, δηλαδή αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων. Από αυτή την άποψη, είναι παρόμοιο με γραφένιο, ένα υλικό που έχει μελετηθεί εντατικά για τις ασυνήθιστες ιδιότητές του – συμπεριλαμβανομένης της εξαιρετικά χαμηλής τριβής – από την ανακάλυψή του το 2004.

«Τα περισσότερα δισδιάστατα υλικά έχουν σχήμα επίπεδα φύλλα», λέει ο Peter Searles, υποψήφιος διδάκτορας και κύριος συγγραφέας της νέας εργασίας που δημοσιεύτηκε στις 17 Νοεμβρίου 2021. πρόοδος της επιστήμης.

“Η θεωρία ήταν ότι αυτά τα φύλλα γραφενίου παρουσιάζουν συμπεριφορά χαμηλής τριβής επειδή είναι πολύ χαλαρά συνδεδεμένα και γλιστρούν εύκολα το ένα πάνω στο άλλο. Μπορείτε να το φανταστείτε σαν ένα χέρι από τραπουλόχαρτα: δεν χρειάζεται πολλή προσπάθεια για να απλώσετε την τράπουλα γιατί η τριβή μεταξύ των φύλλων είναι πολύ χαμηλή».

Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης Magnetene Peter Serles

Ο υποψήφιος διδάκτορας Peter Searles τοποθετεί ένα δείγμα μαγνητίτη σε ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης. Νέες μετρήσεις και προσομοιώσεις αυτού του υλικού δείχνουν ότι η συμπεριφορά του σε χαμηλή τριβή οφείλεται σε κβαντικά φαινόμενα. Πιστώσεις: Daria Pereveznetsev/Πανεπιστήμιο Μηχανικών του Τορόντο

Η ομάδα, η οποία περιλαμβάνει τους καθηγητές Tobin Felter και Chandra Vir Singh, Post-Doc Shwetank Yadav και αρκετούς σημερινούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές από τις εργαστηριακές τους ομάδες, θέλησαν να δοκιμάσουν αυτή τη θεωρία συγκρίνοντας το γραφένιο με άλλα υλικά 2D.

READ  Οι 9 πιο συγκλονιστικές αστρονομικές ανακαλύψεις το 2020 | # μπάρτα

Ενώ το γραφένιο είναι κατασκευασμένο από άνθρακα, ο μαγνητίτης είναι κατασκευασμένος από μαγνητίτη, μια μορφή οξειδίου του σιδήρου, που συνήθως υπάρχει ως τρισδιάστατο πλέγμα. Οι συνεργάτες της ομάδας στο Πανεπιστήμιο Rice επεξεργάστηκαν τρισδιάστατο μαγνητίτη χρησιμοποιώντας ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας για να διαχωρίσουν ένα στρώμα που αποτελείται από λίγα μόνο στρώματα 2-D μαγνητίτη.

Στη συνέχεια, η ομάδα μηχανικής του Πανεπιστημίου του Τορόντο τοποθέτησε τα φύλλα μαγνητίτη σε ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης. Σε αυτή τη συσκευή, ένας καθετήρας με αιχμηρό άκρο τραβιέται πάνω από την κορυφή της πλάκας μαγνήτη για να μετρηθεί η τριβή. Αυτή η διαδικασία είναι συγκρίσιμη με τον τρόπο με τον οποίο μια γραφίδα πικάπ τραβιέται στην επιφάνεια ενός δίσκου βινυλίου.

«Οι δεσμοί μεταξύ των στρωμάτων του μαγνητίτη είναι πολύ ισχυρότεροι από ό,τι θα ήταν μεταξύ μιας στοίβας φύλλων γραφενίου», λέει ο Searles. “Δεν γλιστρούν το ένα μπροστά στο άλλο. Αυτό που μας εξέπληξε ήταν η τριβή μεταξύ της άκρης του καθετήρα και της επάνω φέτας των δύο τραγουδιστών: ήταν εξίσου χαμηλή όσο στο γραφένιο.”

Μαγνητισμός

Αυτή η διάταξη δείχνει τη δομή του πλέγματος των δύο μαγνητών, με τις σκούρες κόκκινες μπάλες να απεικονίζουν σίδηρο και τις έντονο κόκκινο να απεικονίζουν οξυγόνο. Πίστωση: Shwetank Yadav / University of Toronto Engineering

Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες απέδιδαν τη χαμηλή τριβή του γραφενίου και άλλων δισδιάστατων υλικών στη θεωρία ότι οι πλάκες μπορούν να γλιστρήσουν επειδή δεσμεύονται μόνο από ασθενείς δυνάμεις γνωστές ως δυνάμεις van der Waals. Όμως η συμπεριφορά χαμηλής τριβής των δύο μαγνητών, που δεν εμφανίζει αυτές τις δυνάμεις λόγω της δομής τους, δείχνει ότι κάτι άλλο συμβαίνει.

READ  Τέσσερις πρόσφατα ανακαλυφθέντες πλανήτες που θα μπορούσαν να βοηθήσουν να δώσουν νέες γνώσεις για το πώς ήταν η Γη στις πρώτες μέρες της

“Όταν πηγαίνετε από το 3D στο 2D, πολλά ασυνήθιστα πράγματα αρχίζουν να συμβαίνουν λόγω των επιπτώσεων της κβαντικής φυσικής”, λέει ο Searles. “Ανάλογα με τη γωνία με την οποία κόβετε τη φέτα, μπορεί να είναι πολύ μαλακή ή πολύ τραχιά. Τα άτομα δεν περιορίζονται πλέον σε αυτήν την τρίτη διάσταση, επομένως μπορούν να δονούνται με διαφορετικούς τρόπους. Και η δομή των ηλεκτρονίων αλλάζει επίσης. Βρήκαμε ότι όλοι αυτοί οι συνδυασμένοι παράγοντες επηρεάζουν την τριβή».

Η ομάδα επιβεβαίωσε τον ρόλο αυτών των κβαντικών φαινομένων συγκρίνοντας τα πειραματικά τους αποτελέσματα με αυτά που προβλέπονται από προσομοιώσεις υπολογιστή. Οι Yadav και Singh δημιούργησαν μαθηματικά μοντέλα βασισμένα στη συναρτησιακή θεωρία της πυκνότητας για να προσομοιώσουν τη συμπεριφορά του άκρου του ανιχνευτή που ολισθαίνει πάνω από το υλικό 2D. Τα μοντέλα που ενσωματώνουν κβαντικά φαινόμενα ήταν οι καλύτεροι προγνωστικοί παράγοντες πειραματικών παρατηρήσεων.

Η πρακτική συνέπεια των ευρημάτων της ομάδας, λέει ο Searles, είναι ότι παρέχουν νέες πληροφορίες για επιστήμονες και μηχανικούς που θέλουν να σχεδιάσουν σκόπιμα υλικά χαμηλής τριβής. Αυτά τα υλικά μπορεί να είναι χρήσιμα ως λιπαντικά σε πολλές μικρές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των εμφυτεύσιμων συσκευών.

Για παράδειγμα, θα μπορούσε κανείς να φανταστεί μια μικρή αντλία που παρέχει μια ελεγχόμενη ποσότητα ενός συγκεκριμένου φαρμάκου σε ένα συγκεκριμένο μέρος του σώματος. Άλλοι τύποι μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων μπορούν να συλλέξουν την ενέργεια μιας καρδιάς που χτυπά για να λειτουργήσει έναν αισθητήρα ή να λειτουργήσει έναν μικρό ρομποτικό χειριστή ικανό να διαχωρίσει έναν τύπο κυττάρου από έναν άλλο σε ένα τρυβλίο Petri.

«Όταν έχεις να κάνεις με τόσο μικρά κινούμενα μέρη, η αναλογία επιφάνειας προς μάζα είναι πολύ υψηλή», λέει ο Felter, αντίστοιχος συγγραφέας στη νέα μελέτη. Αυτό σημαίνει ότι τα πράγματα είναι πιθανό να χαλάσουν. Αυτό που δείξαμε σε αυτή την εργασία είναι ότι αυτά τα δισδιάστατα υλικά έχουν χαμηλή τριβή ακριβώς λόγω του μικρού τους μεγέθους. Αυτά τα κβαντικά εφέ δεν θα ισχύουν για μεγαλύτερα τρισδιάστατα υλικά».

READ  Η ανακάλυψη μιας «μέτριας» μαύρης τρύπας είναι αόριστη από μια τεράστια έκρηξη στο βαθύ διάστημα

Αυτά τα αποτελέσματα που εξαρτώνται από το μέγεθος, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι το οξείδιο του σιδήρου είναι μη τοξικό και φθηνό, καθιστούν τον μαγνητίτη πολύ ελκυστικό για χρήση σε μηχανικές εμφυτεύσιμες συσκευές, λέει ο Searles. Αλλά προσθέτει ότι υπάρχει περισσότερη δουλειά που πρέπει να γίνει πριν γίνουν πλήρως κατανοητές οι ποσοτικές συμπεριφορές.

“Το έχουμε δοκιμάσει αυτό με άλλους τύπους υλικών 2D με βάση τον σίδηρο, όπως η αιματίνη ή ο χρωμίτης, και δεν βλέπουμε τις ίδιες κβαντικές υπογραφές ή συμπεριφορά χαμηλής τριβής”, λέει. «Έτσι πρέπει να εστιάσουμε στο γιατί συμβαίνουν αυτά τα κβαντικά φαινόμενα, τα οποία μπορεί να μας βοηθήσουν να είμαστε πιο επιθετικοί στο σχεδιασμό νέων τύπων υλικών χαμηλής τριβής».

Αναφορά: «Μαγνητική τριβή, ένα δισδιάστατο υλικό που δεν είναι ο Van Der Waals» των Peter Searles, Tayeb Arif, Anand B. , Jello Costin, Chandra Veer Singh, Policle M Ajian and Tobin Felter, 17 Νοεμβρίου 2021, Διαθέσιμο εδώ. πρόοδος της επιστήμης.
DOI: 10.1126 / sciadv.abk2041

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *