Залежність сили тертя УНТ про графіт

Вуглецеві наноструктури (УНС), такі як фулерен, нанотрубка (УНТ) і графен, розглядаються в якості елемента наноэлектромеханических систем (НЭМС) – пристроїв, що перетворюють електричну енергію в механічну і навпаки. Така можливість пов’язана, зокрема, з низьким коефіцієнтом тертя, що характеризує такі структури. Оскільки при терті одного об’єкта нанометрового розміру про інший площа контакту може бути настільки мала, що в терті бере участь лише обмежена кількість атомів, що входять у розглянуту структуру, то можна очікувати, що коефіцієнт тертя таких об’єктів залежить від їх відносної орієнтації. Подібна залежність, з одного боку, повинна враховуватися при розробці НЭМС, а з іншого боку – може бути використана для визначення атомної структури об’єкта. В експериментальній роботі [1] групі тайваньських дослідників вдалося встановити залежність коефіцієнта тертя УНТ про поверхня графіту від взаємної орієнтації.

При проведенні експерименту використовували атомно-силовий мікроскоп (АСМ), оснащений поворотним пристроєм, що дозволяє змінювати кут орієнтації зонда щодо підкладки з кроком 0.007 о. В якості зонда використовували стандартний пірамідальний АСМ-зонд, на якому під деяким кутом до осі укріплена вуглецева нанотрубка. Наконечник, в свою чергу, прикріплений до кантилеверу прямокутної структури довжиною 90 мкм, шириною 35 мкм і товщиною 1 мкм. Поперечна силова константа цього кантілевери становить 4.221 Н/м, в той час як константа на вигин дорівнює 0.618 Н/м. як підкладки використовували кристал высокоориентированного піролітичної графіту, має розкид в орієнтації графітових шарів менше 1о. Експерименти з вимірювання сили тертя проводили при навантаженні від 5 до 10 пн. УНТ, прикріплена до АСМ-зонду, рухалася по поверхні графіту зі швидкістю близько 140 нм/с при різних кутах орієнтації нанотрубки. Типові результати вимірювань, отримані в умовах низької (6%) вологості при навантаженні 10 пн, представлені на малюнку.

Залежність сили тертя УНТ про поверхня графіту
від кута орієнтації, отримана в умовах низької (6%) вологості.

 

Як видно, залежність сили тертя УНТ про поверхня графіту має яскраво виражений резонансний характер. Ця залежність має періодичну структуру з періодом 60о, що відповідає гексагональної симетрії поверхні графіту. Обробка отриманих залежностей дозволяє оцінити площу контакту поверхонь УНТ і графіту, рівну приблизно 8 нм2. Це відповідає приблизно 150 елементарним гексагональным клітинок.

Дослідження показали, що характер залежності сили тертя від кута орієнтації істотно змінюється по мірі збільшення вологості повітря. Зростання вологості супроводжується підвищенням сили тертя і зниженням ступеня регулярності зазначеної залежності. При відносній вологості повітря, яка перевищує 40%, залежність сили тертя від кута орієнтації набуває випадковий характер, що пов’язано з утворенням мономолекулярного водяного шару на поверхні контакту.

А. Єлецький

1. W.-C. Chang et al., Appl. Phys. Lett. 101, 063109 (2012).

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *