Водородные связи помешали кремниевому зонду скользить по графиту со ступенькой

Американские ученые оценили вклады химических и физических процессов в трение на атомарном уровне. На примере движения зонда атомно-силового микроскопа по графитовой поверхности со ступенькой в один слой графена они показали, что на величину коэффициента трения влияют как наличие шероховатостей, вызывающих напряжения сдвига, так и образование водородных связей, которые возникают между иглой микроскопа и краем поверхности. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Между двумя контактирующими твердыми поверхностями, которые движутся либо в разных направлениях, либо с разными скоростями, возникает трение. Его сила на макроуровне часто прямолинейно зависит от приложенной нагрузки, а коэффициент этой пропорциональности называют коэффициентом трения. На наноуровне становятся существенными силы адгезии, и в формуле появляется дополнительное слагаемое. Взаимное влияние этих сил, которое формирует трение и часто приводит к повреждению поверхности, все еще недостаточно хорошо изучено.

Чжэ Чэнь (Zhe Chen) из Университета штата Пенсильвания и его коллеги на примере хорошо химически и топографически описанной поверхности оценили вклады химических и физических процессов в коэффициент трения. Модельная система состояла из кремниевого зонда атомно-силового микроскопа и бездефектной химически инертной графитовой поверхности со ступенькой высотой в один атомарный графеновый слой (0,34 нанометра). Авторы работы при комнатной температуре в атмосфере сухого азота двигали зонд по ступени вверх и вниз со скоростью от 0,25 до двух микрон в секунду накладывая силу от семи до 37 наноньютонов и фиксировали изменения сил. Результаты в каждом из экспериментов усреднили по 128 циклам.

Такую же систему ученые смоделировали в молекулярно-динамической симуляции движения острия кремниевого зонда и трех верхних слоев графита с учетом того, что со ступеньки «свешиваются» гидроксильные (С-ОН) и алкильные (С-Н) группы, а поверхность самого зонда покрыта силанольными (Si-OH) группами.

При движении по гладкой поверхности графена значение коэффициента трения составляло всего 0,003, а когда зонд поднимался по ступени, трение увеличивалось в 30-40 раз и коэффициент возрастал до десятой доли единицы. При спуске со ступени природа трения становилась сложнее: сначала вблизи нее оно возрастало, затем при изменении высоты падало, после чего трение снова возрастало и, наконец, на удалении от ступени на гладкой графитовой поверхности достигло постоянного значения.

Результаты эксперимента и теоретические модели подтвердили, что вклад химических взаимодействий в силу трения на атомарном уровне оказался достаточно высоким. На близком расстоянии к ступени между поверхностью зонда и функциональными группами на краю ступени образовывались водородные связи. Напряжение сдвига атомов на конце иглы возрастало и достигло своего максимума в момент, когда центр масс кончика находится прямо перед верхней плоскостью графена. Вдобавок к этому по мере приближения к ступени росло количество водородных связей с гидроксильными группами на краю графеновой плоскости, и их положение смещалось относительно равновесного. Все вместе эти эффекты увеличивали коэффициент трения более чем в сто раз по сравнению с его значением при скольжении кремниевой иглы по гладкой графитовой плоскости.

По мере движения зонда по ступени вниз небольшое напряжение связей в нем, наоборот, содействует лучшему скольжению, но и в этом случае у края второй плоскости образуются водородные связи, которые «цепляют» зонд и повышают сопротивление движению. В зависимости от относительных значений физических и химических влияний, трение может иметь положительный (сопротивление движению) или отрицательный (содействие) знак по мере спуска зонда. В то время как благодаря напряжению сдвига содействующие силы максимальны, когда центр масс находится в точке перехода с одной плоскости на другую, действие химических сил сопротивления начинается, когда ближайшая к краю сторона иглы достигает ступени и длится до тех пор, пока зонд полностью не «перешагнет» ступень. Поэтому силы сопротивления движению авторы наблюдали не только в узкой области изменения высоты, как физические содействующие силы, но и в относительно большой окрестности ступени.

По словам авторов, понимание фундаментальных причин трения может помочь в разработке поверхностей с регулируемым значением коэффициента трения, которые могут пригодиться для разных целей. Например, около года назад американские ученые создали скользкую для водяных капель гидрофильную поверхность с иерархической структурой для быстрого отвода воды.

Алина Кротова