Cómo se arruga el grafeno cuando se somete a fricción

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Una hoja de grafeno se arruga cuando la sonda de un microscopio de fuerza atómica (AFM) se desliza sobre su superficie. Para explicar este fenómeno se han propuesto muchas explicaciones. Se publica en Nature una solución a este misterio basada en simulaciones por ordenador. El grafito (múltiples capas apiladas de grafeno) se usa mucho como lubricante sólido y en recubrimientos de baja fricción. Ahora se entiende mucho mejor cómo actúa a escala microscópica.

El artículo es Suzhi Li, Qunyang Li, …, Ju Li, “The evolving quality of frictional contact with graphene,” Nature 539: 541–545 (24 Nov 2016), doi: 10.1038/nature20135; un buen resumen en Astrid S. de Wijn, “Nanoscience: Flexible graphene strengthens friction,” Nature 539: 502–503 (24 Nov 2016), doi: 10.1038/539502a.

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Cuando dos materiales se ponen en contacto, su área de contacto a nivel microscópico es mucho más pequeña que el área de contacto aparente. Un sustrato de silicio amorfo (a-Si) tiene una rugorisad entre 0 y 8 Å (1 angstrom = 0,1 nanómetros). Una hoja de grafeno monoatómica extendida sobre dicha superficie tiene una rugosidad de entre 0 y 7 Å; una hoja de grafeno suspendida entre dos pivotes y estirada tiene una rugosidad superficial de entre 0 y 5 Å. El paso de la sonda AFM sobre la hoja de grafeno sobre el sustrato de silicio amorfo lo arruga con pliegues de hasta 14 Å. Según las simulaciones por ordenador, en una hoja de grafeno los pliegues alcanzan hasta 9 Å.

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La fuerza medida por la sonda AFM tiene un perfil de diente de sierra. Según las simulaciones por ordenador, para una hoja de grafeno no arrugada su amplitud ronda los 2 nN (nanonewtons). Conforme la hoja de arruga al paso de la sonda AFM crece la amplitud hasta alcanzar unos 8 nN (como muestra la figura derecha, la fuerza lateral oscila entre −4 nN y +4 nN). Hay que destacar que el efecto observado en las simulaciones no depende de la velocidad de la sonda AFM sobre la superficie.

Quedan muchos estudios futuros por realizar para entender mejor la fricción en las hojas de grafeno. Por ejemplo, qué pasa cuando el sustrato es mucho más ordenado que el silicio amorfo, como el carburo de silicio (SiC) o el nitruro de boro hexagonal (h-BN). Y además, en muchas aplicaciones en lubricación, el grafeno se combina con otros materiales y otras sustancias químicas. El estudio detallado de sus efectos promete interesantes aplicaciones nanotecnológicas en lubricación y tribología.


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