Команда инженеров из Торонтского университета и Университета Райса сообщила о чрезвычайно низком трении инновационного материала под названием «магнетен». Работа "Friction of magnetene, a non–van der Waals 2D material" опубликована в журнале Science Advances.
Магнетен – это двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов. В этом смысле он напоминает графен. Подобные материалы могут пригодиться в различных областях применения, включая микроэлектронные имплантируемые устройства.
Исследователи решили сравнить графен с другими известными двумерными материалами. В том числе, они использовали и магнетит – природный оксид железа, обычно существующий в виде трёхмерной решётки. При помощи высокочастотного звука исследователи отделили друг от друга слои материала, получив несколько двумерных листов магнетита. Затем они изучили полученные листы под сканирующим атомно-силовым микроскопом.
Схематичное изображение двумерной решётки магнетена
По словам Серлеса, атомные связи между слоями магнетена оказались более сильными по сравнению со связями между листами графена. Они не скользят друг по другу. Однако неожиданно оказалось, что кончик зонда микроскопа скользит по магнетену так же легко, как по графену.
По словам ведущего автора работы, аспиранта Питера Серлеса, большинство двумерных материалов формируются в виде плоских листов. До сих пор учёные считали, что малое трение графена и других двумерных материалов обусловлено тем, что листы графена должны слабо связываться атомными силами между собой и, следовательно, легко скользить друг по другу, как новые игральные карты. Однако низкое трение магнетена говорит о том, что тут работает какой-то другой принцип.
Схема работы атомного микроскопа
Серлес говорит, что из-за законов квантовой физики при превращении трёхмерного материала в двумерный происходит много необычного. В зависимости от угла среза материала листы могут получиться очень гладкими или очень шершавыми. Исчезает ограничение атомов по одной из осей, и они могут начать вибрировать по-новому. Меняется электронная структура. Всё вместе это влияет на трение.
Роль квантовых эффектов в уменьшении трения была подтверждена сравнением результатов эксперимента с теоретическими предсказаниями компьютерной симуляции. Собранная информация может помочь учёным и инженерам в разработке материалов с пониженным трением. Подобные материалы можно использовать как смазку в различных областях, в частности в имплантологии.
Например, можно представить крохотный насос, доставляющий определённое количество лекарства в определённую часть тела; устройство, собирающее энергию сокращений сердечной мышцы для питания датчика; микроскопический манипулятор, сортирующий клетки разного вида в чашке Петри.
По словам Тобина Филлетера, автора-корреспондента новой работы, у устройств с крохотными движущимися частями отношение площади поверхности к массе получается крайне высоким. Следовательно, вероятность застревания этих частей выше. Малое трение двумерных материалов является как раз следствием их малого масштаба. Подобные квантовые эффекты у более крупных трёхмерных материалов работать не будут.
Эти эффекты, зависящие от масштаба, вкупе с нетоксичностью и дешевизной оксида железа, делают магнетен привлекательным вариантом для создания механических имплантируемых устройств.
Однако, по словам Филлетера, требуется дополнительное изучение этого эффекта с тем, чтобы лучше разобраться в его природе. К примеру, у таких двумерных материалов на основе железа, как гематен и хромитин, подобного поведения (и малого трения) не наблюдается.
