گرافن یا دی‌سولفید مولیبدن : کدام یک اصطکاک کمتری ایجاد می‌کند؟

مواد دوبعدی با ساختار لایه‌ای که ضخامت آن در مقیاس چند اتم تا چند نانومتر قرار می‌گیرد، خواص فیزیکی منحصر بفردی از جمله سفتی درون صفحه‌ای زیاد همراه با سفتی خمشی خارج از صفحه کم از خود نشان مي‌دهند. این مواد دوبعدی کاربردهای فراوانی در زمینه‌های مختلف شامل ابزارهای میکرو و نانوالکترونیک، حسگرها،‌ ذخیره انرژی، پوشش‌دهی و همچنین به عنوان افزودنی در روان‌کننده‌ها برای کاهش اصطکاک و سایش دارند. علاوه بر این، مواد دوبعدی غیرمشابه می‌توانند بر روی یکدیگر سوار شده – مانند یک لگو – و ساختارهای ناهمگونی را تشکیل دهند و ویژگی‌های خاصی از این مواد را به وجود آورند. از آنجایی که مواد دوبعدی بالاترین نسبت سطح به حجم را در میان تمامی مواد دارند، دانستن فیزیک و خواص بین سطحی آنها مانند اصطکاک و چسبندگی، درهای جدیدی از نحوه تولید، شکل‌گیری و کاربردهای این مواد را خواهد گشود.

خواص نانو تریبولوژیکال[1] گرافن و دی‌سولفید مولیبدن که هر دو از جمله مواد دوبعدی هستند که مکرر مورد بررسی قرار می‌گیرند، به صورت وسیعی توسط آزمایشات میکروسکوب نیروی اتمی (AFM) تجزیه و تحلیل شده‌اند. با وجود این، اینگونه خواص گرافن و دی‌سولفید مولیبدن به صورت دقیق و کمی قابل مقایسه نیستند زیرا نتایج اندازه‌گیری خواصی مانند اصطکاک در مقیاس نانو از نمونه‌ای به نمونه‌ای دیگر متغیر خواهد بود. همچنین این روش اندازه‌گیری متوالی مانع از مقایسه مستقیم می‌شود، زیرا نتایج به شدت تحت تاثیر شرایط آزمایش شامل شکل و سایز پروب، شیمی سطح و شرایط محیطی است که می‌تواند از آزمونی به آزمون دیگر متفاوت باشد.

گروهی از محققان آمریکایی، کانادایی و اسپانیایی برای اولین بار اصطکاک در مقیاس نانویی گرافن، دی‌سولفید مولیبدن و ساختارهای ناهمگون ترکیبی از این دو ماده را تحت بارگذاری‌های استاندارد متفاوت در اندازه‌گیری واحد، با استفاده از آزمون‌های AFM و شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (MD) به وسیله محاسبات مربوط به تئوری توابع دانسیته (DFT) را مشخصه‌یابی کردند. گرافن اصطکاک کمتری نسبت به دی‌سولفید مولیبدن و ساختارهای ناهمگون در طیف گسترده‌ای از بارگذاری‌های استاندارد در هردو آزمون AFM و دینامیک مولکولی از خود نشان داد. همچنین اصطکاک ساختار ناهمگون به صورت محسوسی از تک لایه‌های دی‌سولفید مولیبدن کمتر بود. در طی بررسی‌های دقیق‌تر، مکانیزم‌های ممکن برای اتلاف انرژی در مقیاس اتمی – شامل فعالسازی حرارتی[2]، تغییر نوار[3]، زبری، چسبندگی و تغییر فرم الاستیک – منشا تضاد اصطکاکی بین سر خوردن بر روی گرافن و دی‌سولفید مولیبدن، به عنوان سدی از انرژی که نوار باید برای حرکت بر روی هر سطح غلبه کند، شناسایی شده است. این سد انرژی برای گرافن که از طریق شبیه سازی دینامیک مولکولی شبه استاتیک بدست آمده بود، بسیار کمتر از تک لایه‌های دی‌سولفید مولیبدن و نیز ساختارهای ناهمگون اندازه‌گیری شد. محاسبات تکمیلی DFT این دستاورد را تایید کرده و شکست این سد انرژی مشخص کرد که این تفاوت بین گرافن و دی‌سولفید مولیبدن در اصل مربوط به تراکم بالای موانع سرخوردن در این ماده است که از قطبیت بالای اتم‌های سولفور در دی‌سولفید مولیبدن در مقایسه با اتم‌های کربن در گرافن  ناشی می‌شود.

مقایسه مستقیم این خواص تریبولوژیک مواد دوبعدی و ساختارهای ناهمگون به وسیله اندازه‌گیری واحد،‌ جایگاه هنر برای مطالعه اصطکاک این مواد را گسترش داد. علاوه بر این، این روش می‌تواند برای پیشرفت در دستیابی به خواص دیگر مکانیکی، حرارتی و الکتریکی مواد دوبعدی به صورت عمومی بکار گرفته شود.

[1] Nanotribological

[2] Thermal activition

[3] Tip change

محصولات مرتبط

فهرست