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Debido a sus excelentes propiedades tribológicas, el grafito se usa ampliamente en lubricantes sólidos donde las propiedades de fricción están estrechamente relacionadas con la adhesión interfacial. Sin embargo, el mecanismo subyacente que gobierna la relación entre la fricción y la adhesión interfacial sigue siendo académicamente intrigante.
Estudio: Hacia una comprensión más profunda de la superlubricidad del grafito determinada por la adhesión interfacial. Crédito de la foto: Miriam Doerr Martin Frommherz/Shutterstock.com
Un artículo de prueba previa de la revista Carbon tiene la intención de profundizar la comprensión del rendimiento de superlubricidad de las superficies de grafito mediante la combinación de datos de microscopía de fuerza atómica (AFM) con cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT).
Súper lubricidad de grafito: ¿Por qué es importante?
La fricción y la adhesión son procesos comunes que ocurren cuando dos superficies entran en contacto durante el movimiento simultáneo en aplicaciones mecánicas, lo que aumenta el consumo de energía, el cambio climático y los impactos ambientales.
El grafito promete reducir este comportamiento indeseable al lograr una súper lubricidad en todas las longitudes. Sin embargo, debido a su fuerte adhesión interfacial, no todos los contactos móviles con grafito pueden inducir una condición de superlubricación.
Por lo tanto, un conocimiento básico de cómo la fricción se relaciona con la adhesión, así como el principio subyacente que impulsa este fenómeno, es crucial para lograr la máxima eficiencia de superlubricación con grafito con piezas y sistemas mecánicos duraderos.
Correlación de adherencia y fricción: una pregunta abierta
La participación más temprana de la adhesión en el comportamiento de fricción se informó en el siglo XVIII, cuando se pensaba que la fricción era causada por la unión de átomos y moléculas interfaciales.
Dada la importancia de la adhesión en la fricción, un método adecuado para adaptar las interfaces efectivas con nanoláminas de grafito puede ayudar a suprimir las fuertes interacciones adhesivas, lo que da como resultado una superlubricidad de los contactos de grafito con muchos componentes mecánicos a granel.
A pesar de una extensa investigación que sugiere que el contacto con el adhesivo mejora la resistencia a la fractura interfacial, la clara influencia de la adhesión en la fricción sigue sin estar clara. Este enigma dificulta la personalización del contacto deslizante para reducir los efectos de fricción no deseados de los lubricantes de grafito para muchas aplicaciones de superlubricación.
Comprender el mecanismo que correlaciona la adhesión y la fricción.
La adherencia y la fricción entre las capas se pueden atribuir a contactos a nivel atómico, donde las cargas intersticiales juegan un papel importante en el desarrollo de las propiedades de fricción de la superficie de grafito. Por ejemplo, cuando las muestras se exponen a un estado superconductor, influencias de estrés u otras condiciones ambientales, la fricción electrónica interfacial del grafito puede aumentar significativamente.
Las simulaciones DFT recientes también han mostrado una asociación entre las actividades tribológicas y las propiedades eléctricas de las superficies sólidas, que incluyen una variedad de aisladores unidos covalentemente, sustancias multicapa, metales y semiconductores. Sin embargo, el conocimiento científico de cómo la fricción se ve afectada por la adhesión sigue siendo especulativo, y hasta ahora la evidencia experimental para cada mecanismo de asociación concebible ha sido la inferencia.
Aspectos destacados del estudio actual
En este estudio se realizaron investigaciones experimentales nanoscópicas y cálculos atómicos mediante el uso de una interfaz de grafito químicamente resistente y atómicamente suave para ajustar las propiedades de adhesión en un amplio rango de amplitud al interactuar con varios materiales de aspereza.
Esto permite la identificación de los efectos de la densidad de carga de las interacciones adhesivas sobre las propiedades de fricción del grafito para aplicaciones de superlubricidad.
A medida que aumentan las fuerzas normales, los resultados experimentales del análisis de adhesión y fricción nano/micro muestran una conversión de dependencia no lineal a lineal de la fricción en la capacidad de carga, lo que ilustra la contribución de la unión interfacial a la fricción con un factor de escala que difiere significativamente de supuestos anteriores.
Desarrollos importantes
Los investigadores proponen que el omnipresente desplazamiento por fricción no lineal-lineal como consecuencia de la capacidad de carga es causado por la interacción de las diferentes respuestas de adhesión y fuerza aplicada.
La formación de carga inducida por deslizamiento, que determina el proceso subyacente de superlubricación entre el grafito y los materiales a granel, es la principal responsable de la conexión entre la fricción y la adhesión.
Debido a la baja pegajosidad de los sistemas deslizantes, un enfoque general que evita la fuga de carga en la zona de contacto permite la súper lubricidad de la superficie de grafito. Como resultado, se plantea la hipótesis de que la superlubricación con grafito a menudo se ve favorecida por un contacto débil de las interfaces deslizantes.
Al demostrar la disipación de energía impulsada por la redistribución de la carga interfacial, este trabajo proporciona una visión atomística de las reglas no lineales que rigen la adhesión y la fricción interfacial a nanoescala. Al suprimir el flujo de carga en el área de la interfaz deslizante, se puede ofrecer superlubricación a una amplia gama de sistemas deslizantes. Se espera que la técnica general descrita en este trabajo sea útil para la construcción de interfaces móviles con propiedades tribológicas adecuadas.
Relación
Shi, P. et al. (2022). Hacia una comprensión más profunda de la superlubricidad del grafito determinada por la adhesión interfacial. carbón. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622322006480?via%3Dihub
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