محققان دانشگاه تورنتو در کانادا و دانشگاه رایس در ایالات متحده می گویند ماهیت فوق العاده لغزنده یک ماده دو بعدی به نام مگنتین می تواند ناشی از اثرات کوانتومی باشد تا مکانیک لایه های فیزیکی که روی یکدیگر لغزنده اند.
نتیجه، فیزیک اصطکاک در مقیاس میکروسکوپی را روشن می کند و می تواند به توسعه روان کننده های با اصطکاک کاهش یافته برای دستگاه های کوچک و قابل کاشت کمک کند.
مواد دوبعدی معمولاً با تراشیدن برش‌های نازک اتمی از نمونه‌ای از مواد حجیم به دست می‌آیند. در گرافن، شکل دوبعدی کربن که اولین ماده ای بود که با استفاده از این روش جدا شد، اصطکاک بین لایه های مجاور بسیار کم است، زیرا آنها توسط نیروهای ضعیف واندروالس به یکدیگر متصل می شوند و بنابراین مانند کارت های بازی که باد می زنند از کنار هم می لغزند. بیرون در یک عرشه برای مگنتین، ماده انبوه مگنتیت است، شکلی از اکسید آهن با فرمول شیمیایی Fe3O4 که به صورت شبکه سه بعدی در سنگ معدن طبیعی وجود دارد. پیوندهای بین لایه‌ها در مگنتین بسیار قوی‌تر از گرافن است، بنابراین طبیعت کم اصطکاک آن کمی مرموز بود.
نه تنها لایه های کشویی
در کار جدید، که در Science Advances منتشر شده است، پیتر سرلز، نویسنده اصلی، همراه با همکارانش به رهبری توبین فیلیتر، چاندرا ویر سینگ و شوتانک یاداو، نمونه‌ای از مگنتین دوبعدی را با پردازش مگنتیت با امواج صوتی با فرکانس بالا به دست آوردند. این رویکرد نمونه های چند لایه مگنت را از مواد توده جدا می کند. سپس تیم با استفاده از یک کاوشگر میکروسکوپ نیروی اتمی، اصطکاک بین صفحات را اندازه گیری کردند.
در کمال تعجب، محققان دریافتند که اصطکاک بین نوک کاوشگر AFM و بالاترین لایه مگنتین به همان اندازه که در گرافن وجود دارد کم است. بنابراین آنها مشکوک شدند که چیزی غیر از لغزش لایه در کار است. سرلز توضیح می‌دهد: «وقتی از یک ماده سه بعدی به یک ماده دو بعدی می‌روید، به دلیل تأثیرات فیزیک کوانتومی، چیزهای غیرعادی زیادی شروع می‌شود. بسته به زاویه ای که برش را برش می دهید، می تواند بسیار صاف یا بسیار ناصاف باشد. اتم ها دیگر در آن بعد سوم محدود نیستند، بنابراین می توانند به طرق مختلف ارتعاش کنند. و ساختار الکترون هم تغییر می کند. ما متوجه شدیم که همه اینها با هم بر اصطکاک اثر می‌گذارند."
برای تأیید اهمیت این پدیده‌های کوانتومی، که شامل تغییراتی در چگالی بار اتم‌های آهن و ظهور حالت‌های فونونی با میرایی کم (ارتعاشات شبکه بلوری) که برای سیستم‌های کلاسیک «ممنوع» هستند، تیم آزمایش‌های خود را مقایسه کرد. نتایج به شبیه‌سازی‌های تئوری تابعی چگالی از نحوه لغزش کاوشگر بر روی مواد دو بعدی می‌شود. آنها دریافتند که مدل هایی که اثرات کوانتومی را در بر می گیرند، یافته های تجربی آنها را به بهترین وجه پیش بینی می کنند.
مواد جدید با اصطکاک بسیار کم
این کار می تواند به دانشمندان و مهندسان کمک کند تا در آینده مواد جدید با اصطکاک بسیار کم طراحی کنند. محققان می گویند که چنین موادی می توانند به عنوان روان کننده در کاربردهای کوچک مقیاس مانند دستگاه های کاشتنی مفید باشند. فیلیتر توضیح می دهد: وقتی با چنین قطعات متحرک ریز سر و کار دارید، نسبت سطح به جرم واقعاً بالا است. این بدان معناست که احتمال گیر کردن چیزها بسیار بیشتر است. آنچه ما در این کار نشان داده‌ایم این است که دقیقاً به دلیل مقیاس کوچک آنها است که این مواد دوبعدی اصطکاک پایینی دارند. این اثرات کوانتومی در مورد مواد بزرگتر و سه بعدی اعمال نمی شود.
محققان می گویند که اکنون مایلند نقش اثرات کوانتومی را بهتر درک کنند، زیرا همان رفتار کم اصطکاک در سایر اکسیدهای آهن مغناطیسی دوبعدی سنتز شده اخیر مانند هماتن (Fe2O3) یا کرومیتین (FeCr2O4 )مشاهده نشده است.
های فن تک از شما دعوت می کند نظرات خود را در مورد این مقاله به اشتراک بگذارید