2d Material Graphene Illustration 777x518 1 2
Thông tin công nghệ

Magnetene – Vật liệu 2D giống Graphene – Tận dụng các hiệu ứng lượng tử để đạt được ma sát cực thấp

2D Material Graphene Illustration

Magnetene có thể có những ứng dụng hữu ích như một chất bôi trơn trong các thiết bị cấy ghép hoặc các hệ thống cơ điện tử vi mô khác.

Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Kỹ thuật Toronto và Đại học Rice đã báo cáo các phép đo đầu tiên về hành vi ma sát cực thấp của một vật liệu được gọi là magnetene. Kết quả chỉ ra con đường hướng tới các chiến lược thiết kế các vật liệu có độ ma sát thấp tương tự để sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm cả các thiết bị nhỏ, có thể cấy ghép.

Magnetene là một vật liệu 2D, có nghĩa là nó được cấu tạo bởi một lớp nguyên tử. Về mặt này, nó tương tự như graphene , một vật liệu đã được nghiên cứu chuyên sâu về các đặc tính khác thường của nó – bao gồm ma sát cực thấp – kể từ khi được phát hiện vào năm 2004.

Ứng viên Tiến sĩ Peter Serles, tác giả chính của bài báo mới được xuất bản vào ngày 17 tháng 11 năm 2021 trên tạp chí Science Advances , cho biết: “Hầu hết các vật liệu 2D được hình thành dưới dạng tấm phẳng.

“Lý thuyết cho rằng những tấm graphene này thể hiện hành vi ma sát thấp vì chúng chỉ được liên kết rất yếu và trượt qua nhau rất dễ dàng. Bạn có thể tưởng tượng nó giống như việc trải một bộ bài ra: không tốn nhiều công sức để trải bộ bài ra bởi vì độ ma sát giữa các quân bài thực sự rất thấp. ”

Ứng viên tiến sĩ Peter Serles đặt một mẫu magnetene vào kính hiển vi lực nguyên tử. Các phép đo và mô phỏng mới của vật liệu này cho thấy hành vi ma sát thấp của nó là do hiệu ứng lượng tử. Nhà cung cấp hình ảnh: Daria Perevezentsev / Kỹ thuật Đại học Toronto

Nhóm nghiên cứu, bao gồm Giáo sư Tobin Filleter và Chandra Veer Singh, Post-Doc Shwetank Yadav, và một số sinh viên hiện tại và đã tốt nghiệp từ các nhóm phòng thí nghiệm của họ, muốn kiểm tra lý thuyết này bằng cách so sánh graphene với các vật liệu 2D khác.

Trong khi graphene được làm từ carbon, thì magnetene được làm từ magnetit, một dạng oxit sắt, thường tồn tại dưới dạng mạng tinh thể 3D. Các cộng tác viên của nhóm tại Đại học Rice đã xử lý từ trường 3D bằng cách sử dụng sóng âm tần số cao để tách một cách cẩn thận một lớp chỉ gồm một vài tấm từ tính 2D.

Sau đó, nhóm Kỹ sư của Đại học Toronto đã đưa các tấm magnetene vào một kính hiển vi lực nguyên tử. Trong thiết bị này, một đầu dò có đầu nhọn được kéo qua mặt trên của tấm magnetene để đo ma sát. Quá trình này có thể so sánh với cách bút stylus của một máy ghi âm được kéo trên bề mặt của một bản ghi vinyl.

Serles nói: “Liên kết giữa các lớp magnetene mạnh hơn rất nhiều so với liên kết giữa một chồng các tấm graphene. “Chúng không trượt qua nhau. Điều làm chúng tôi ngạc nhiên là ma sát giữa đầu của thiết bị thăm dò và lát trên cùng của magnetene: nó chỉ ở mức thấp như trong graphene ”.

Giản đồ này cho thấy cấu trúc mạng tinh thể của magnetene, với các hình cầu màu đỏ sẫm mô tả sắt và hình cầu màu đỏ nhạt mô tả oxy. Nhà cung cấp hình ảnh: Shwetank Yadav / Đại học Kỹ thuật Toronto

Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn cho rằng lý thuyết về ma sát thấp của graphene và các vật liệu 2D khác là do các tấm vật liệu này có thể trượt vì chúng chỉ được liên kết bởi lực yếu được gọi là lực Van der Waals. Nhưng hành vi ma sát thấp của magnetene, không thể hiện những lực này do cấu trúc của nó, gợi ý rằng một cái gì đó khác đang xảy ra.

Serles nói: “Khi bạn chuyển từ vật liệu 3D sang vật liệu 2D, rất nhiều điều bất thường bắt đầu xảy ra do tác động của vật lý lượng tử. “Tùy thuộc vào góc độ bạn cắt mà lát cắt có thể rất mịn hoặc rất thô. Các nguyên tử không còn bị giới hạn trong không gian thứ ba đó nữa, vì vậy chúng có thể dao động theo những cách khác nhau. Và cấu trúc electron cũng thay đổi. Chúng tôi nhận thấy rằng tất cả những điều này cùng ảnh hưởng đến xích mích ”.

Nhóm nghiên cứu đã xác nhận vai trò của những hiện tượng lượng tử này bằng cách so sánh kết quả thí nghiệm của chúng với kết quả dự đoán bằng mô phỏng máy tính. Yadav và Singh đã xây dựng các mô hình toán học dựa trên Lý thuyết hàm mật độ để mô phỏng hành vi của đầu thăm dò trượt trên vật liệu 2D. Các mô hình kết hợp các hiệu ứng lượng tử là những yếu tố dự báo tốt nhất cho các quan sát thực nghiệm.

Serles nói rằng kết quả thực tế của phát hiện của nhóm là họ cung cấp thông tin mới cho các nhà khoa học và kỹ sư muốn thiết kế có chủ đích vật liệu ma sát cực thấp. Những chất như vậy có thể hữu ích làm chất bôi trơn trong các ứng dụng quy mô nhỏ khác nhau, bao gồm cả các thiết bị cấy ghép.

Ví dụ, người ta có thể tưởng tượng một máy bơm nhỏ có thể cung cấp một lượng có kiểm soát của một loại thuốc nhất định đến một bộ phận nhất định của cơ thể. Các loại hệ thống cơ điện vi mô khác có thể thu năng lượng của trái tim đang đập để cung cấp năng lượng cho cảm biến hoặc cung cấp năng lượng cho một bộ điều khiển robot nhỏ bé có khả năng phân loại một loại tế bào này với một loại tế bào khác trong đĩa petri.

Filleter, tác giả tương ứng của nghiên cứu mới cho biết: “Khi bạn xử lý các bộ phận chuyển động nhỏ như vậy, tỷ lệ diện tích bề mặt trên khối lượng thực sự rất cao. “Điều đó có nghĩa là mọi thứ có nhiều khả năng trở nên bế tắc. Những gì chúng tôi đã thể hiện trong công trình này là chính vì quy mô nhỏ của chúng mà các vật liệu 2D này có độ ma sát thấp như vậy. Những hiệu ứng lượng tử này sẽ không áp dụng cho các vật liệu 3D, lớn hơn. “

Serles nói rằng những hiệu ứng phụ thuộc vào quy mô này, kết hợp với thực tế là oxit sắt không độc hại và rẻ tiền, làm cho magnetene rất hấp dẫn để sử dụng trong các thiết bị cơ khí cấy ghép. Nhưng ông nói thêm rằng còn nhiều việc phải làm trước khi các hành vi lượng tử được hiểu đầy đủ.

“Chúng tôi đã thử điều này với các loại vật liệu 2D dựa trên sắt khác, chẳng hạn như hematene hoặc chromiteen, và chúng tôi không thấy các dấu hiệu lượng tử giống nhau hoặc hành vi ma sát thấp,” ông nói. “Vì vậy, chúng ta cần tìm hiểu lý do tại sao những hiệu ứng lượng tử này lại xảy ra, điều này có thể giúp chúng ta có chủ đích hơn trong việc thiết kế các loại vật liệu ma sát thấp mới.”

Tham khảo: “Ma sát của magnetene, vật liệu 2D không van der Waals” của Peter Serles, Taib Arif, Anand B. Puthirath, Shwetank Yadav, Guorui Wang, Teng Cui, Aravind Puthirath Balan, Thakur Prasad Yadav, Prasankumar Thibeorchews, Nithya Chakingal , Gelu Costin, Chandra Veer Singh, Pulickel M. Ajayan và Tobin Filleter, 17 tháng 11 năm 2021, Science Advances .
DOI: 10.1126 / sciadv.abk2041

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.