Во главе с ученым-нанологом Ани Сумант из Аргоннского центра наноразмерных материалов (CNM) и выдающимся научным сотрудником Аргонн Али Эрдемиром из отдела энергетических систем Аргонна, команда из пяти человек в Аргонне объединила алмазные наночастицы, небольшие участки графена — двухмерную форму одного листа. из чистого углерода — и алмазоподобного углеродного материала для создания сверхсмазочной жидкости — очень желательного свойства, при котором трение падает почти до нуля.По словам Эрдемира, когда графеновые пятна и частицы алмаза трутся о большую алмазоподобную углеродную поверхность, графен катится вокруг алмазной частицы, создавая нечто похожее на шарикоподшипник на наноскопическом уровне. «Взаимодействие между графеном и алмазоподобным углеродом необходимо для создания эффекта« сверхсмазки », — сказал он. «Эти два материала зависят друг от друга».На атомном уровне трение возникает, когда атомы в материалах, которые скользят друг относительно друга, становятся «заблокированными в состоянии», что требует дополнительной энергии для преодоления. «Вы можете думать об этом как о попытке сдвинуть две коробки с яйцами друг о друга снизу вниз», — сказала Диана Берман, научный сотрудник CNM и автор исследования. «Бывают моменты, когда расположение зазоров между яйцами — или, в нашем случае, атомами — вызывает запутывание между материалами, которое препятствует легкому скольжению».Создав заключенные в графен алмазные шарикоподшипники или «свитки», команда нашла способ трансформировать наноразмерную сверхсмазку в явление макромасштаба.
Поскольку свитки меняют свою ориентацию во время процесса скольжения, достаточное количество алмазных частиц и графеновых пятен предотвращает блокировку двух поверхностей. Команда использовала крупномасштабные атомистические вычисления на суперкомпьютере Mira в Argonne Leadership Computing Facility, чтобы доказать, что эффект можно увидеть не только в наномасштабе, но и в макромасштабе.«Свитком можно манипулировать и вращать гораздо легче, чем простым листом графена или графита», — сказал Берман.Однако команда была озадачена тем, что, хотя суперсмазка сохранялась в сухих условиях, во влажной среде это было не так.
Поскольку такое поведение было нелогичным, команда снова обратилась к атомистическим расчетам. «Мы заметили, что образование свитка тормозится в присутствии слоя воды, что приводит к более высокому трению», — объяснил соавтор Аргоннский вычислительный наноученый Субраманиан Шанкаранараянан.В то время как область трибологии уже давно занимается способами уменьшения трения — и, следовательно, энергопотребления различных механических систем, — сверхсмазка рассматривалась как жесткое предложение. «Каждый мог бы мечтать о возможности достичь сверхмягкости в широком диапазоне механических систем, но это очень трудная цель», — сказал Санкет Дешмук, другой постдокторант CNM, участвовавший в исследовании.
«Знания, полученные в результате этого исследования, — добавил Сумант, — будут иметь решающее значение для поиска способов уменьшения трения во всем, от двигателей и турбин до компьютерных жестких дисков и микроэлектромеханических систем».