L’estrema scorrevolezza e l’alta resistenza meccanica tipica di un film di grafene ne fanno un materiale di estremo interesse nel campo della micro- e nano-meccanica. Una delle strategie più promettenti per ridurre gli effetti di attrito, ridurre l’usura e proteggere le superfici per contatti dalla micro alla nanoscala, si basa sul rivestimento dei materiali originari con fogli lamellari ultrasottili. Ad esempio basta un solo strato atomico come il grafene per ridurre di un fattore dieci l’attrito di scivolamento.
Un team di ricercatori ha indagato in particolare come cambiano le proprietà di scivolamento sul grafene quando esso viene deposto su un materiale nanostrutturato, e hanno individuato come ottenere delle condizioni super-lubricità. Lo studio, frutto di una collaboraione tra Cnr-Nano, Sussex University, Rice University, Università di Modena e Reggio Emilia e Università di Trento, è pubblicato sulla rivista Small.
“Il ruolo del substrato su cui si deposita il grafene non è passivo, ma fondamentale per modulare le proprietà fisiche ed elettroniche del film di grafene”, commenta Andrea Mescola di Cnr-nano e primo autore dello studio. “L’interazione fra grafene e substrato di supporto infatti da un lato può modificare le caratteristiche ideali di estrema scorrevolezza del materiale di carbonio, ma può anche essere utilizzata per modificare a controllare queste stesse proprietà”.
I ricercatori hanno utilizzato un substrato di biossido di silicio opportunamente modificato sulla superficie con lunghe scanalature nanometriche in grado di indurre lievi deformazioni nel film di grafene deposto su di esse. Hanno quindi valutato la risposta d’attrito al variare della densità delle scanalature e della direzione di movimento rispetto alle scanalature.
“Quello che accade è che il grafene interagisce con simili substrati ‘corrugati’, in particolare la sua struttura atomica subisce uno specifico riarrangiamento, o se vogliamo adattamento, in termini di compressione ed estensione del reticolo cristallino del grafene stesso lungo le scanalature del substrato”, spiega Mescola.
“Tramite un duplice approccio, sperimentale e teorico-simulativo, è stata dimostrato che l’adattamento del reticolo del grafene cambia al variare della densità delle scanalature. In particolare, sul campione a maggior densità di scanalature il ri-arrangiamento del grafene produce una risposta non uniforme in termini di attrito, cioè esiste una direzione preferenziale di scorrimento lungo la quale l’attrito è estremamente basso, e si raggiungono le condizioni di super-lubricità”, continua il ricercatore.
“Questo studio oltre a confermare le ottime proprietà lubriche del grafene, dimostra per la prima volta che parametri come la compressione e l’estensione del rivestimento di grafene indotti dal substrato modificano la risposta meccanica, in particolare l’attrito del sistema.”, conclude Mescola. Un risultato che può avere implicazioni nell’ambito della nanomeccanica e della nano-tribologia nell’ottica di ottimizzare rivestimenti lubrificanti ed antiusura tramite ricoprimenti di grafene su componenti micro e nano meccaniche.
3D morphology and lateral force map acquired by Friction Force Microscopy (FFM) of P40-corrugated sample (size scan: 1.0 x 1.0 µm2)
Mescola, A., Paolicelli, G., Ogilvie, S. P., Guarino, R., McHugh, J. G., Rota, A., Iacob, E., Gnecco, E., Valeri, S., Pugno, N. M., Gadhamshetty, V., Rahman, M. M., Ajayan, P., Dalton, A. B., Tripathi, M., Graphene Confers Ultralow Friction on Nanogear Cogs. Small 2021, 2104487. https://doi.org/10.1002/smll.202104487