News & Articles

Author: 

Douglas Soares Galvão

Author's email: 

galvao@ifi.unicamp.br

News Type: 

Neste trabalho, demonstramos que o atrito anisotrópico no grafeno pode ser ajustável através da força normal sobre a folha de grafeno e pode atingir valores muito altos (o atrito é maior ao longo da direção chamada “armchair"), que representam uma melhoria gigante com relação ao grafite. Este comportamento é bastante inesperado, uma vez que as propriedades elásticas do grafeno (constantes elásticas, velocidades de som, etc.) são isotrópicas, como esperado a partir de considerações de simetria. Usando uma combinação de simulações baseada no modelo Prandtl-Tomlinson, dinâmica molecular atomística e teoria do funcional de densidade (DFT), explicamos este comportamento como resultante da amplificação anisotrópica de ponta-induzida fora do plano (flexão) deformações da folha de grafeno, não presente na grafite. Este efeito pode ser visto como uma versão em nanoescala do famoso fenômeno chamado “Euler buckling” (ou encurvadura de Euler). Este fenômeno fornece os ingredientes não-lineares que amplificam anisotropia atrito. Estes resultados representam um novo mecanismo de dissipação de energia em sistemas bidimensionais, abrindo novas possibilidades para criar e controlar sistemas nano-mecânico envolvendo materiais de uma única camada.
Giant and Tunable Anisotropy of Nanoscale Friction in Graphene

Full Article URL: 

The nanoscale friction between an atomic force microscopy tip and graphene is investigated using friction force microscopy (FFM). During the tip movement, friction forces are observed to increase and then saturate in a highly anisotropic manner. As a result, the friction forces in graphene are highly dependent on the scanning direction: under some conditions, the energy dissipated along the armchair direction can be 80% higher than along the zigzag direction. In comparison, for highly-oriented pyrolitic graphite (HOPG), the friction anisotropy between armchair and zigzag directions is only 15%. This giant friction anisotropy in graphene results from anisotropies in the amplitudes of flexural deformations of the graphene sheet driven by the tip movement, not present in HOPG. The effect can be seen as a novel manifestation of the classical phenomenon of Euler buckling at the nanoscale, which provides the non-linear ingredients that amplify friction anisotropy. Simulations based on a novel version of the 2D Tomlinson model (modified to include the effects of flexural deformations), as well as fully atomistic molecular dynamics simulations and first-principles density-functional theory (DFT) calculations, are able to reproduce and explain the experimental observations.
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