2D Malzeme Grafen İllüstrasyon

Magneten, implante edilebilir cihazlarda veya diğer mikro-elektro-mekanik sistemlerde bir yağlayıcı olarak faydalı uygulamalara sahip olabilir.

Toronto Üniversitesi Mühendislik ve Rice Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi, manyeten olarak bilinen bir malzemenin ultra düşük sürtünme davranışının ilk ölçümlerini bildirdi. Sonuçlar, küçük, implante edilebilir cihazlar da dahil olmak üzere çeşitli alanlarda kullanım için benzer düşük sürtünmeli malzemelerin tasarlanması için stratejilere giden yolu işaret ediyor.

Magneten 2 boyutlu bir malzemedir, yani tek bir atom katmanından oluşur. Bu bakımdan şuna benzer grafen, 2004’teki keşfinden bu yana olağandışı özellikleri – ultra düşük sürtünme de dahil olmak üzere – yoğun bir şekilde araştırılan bir malzeme.

17 Kasım 2021’de yayınlanan yeni makalenin baş yazarı olan doktora adayı Peter Serles, “Çoğu 2D materyal düz levhalar halinde şekillendiriliyor” diyor. Bilim Gelişmeleri.

“Teori, bu grafen tabakalarının düşük sürtünme davranışı sergilemesiydi, çünkü bunlar sadece çok zayıf bir şekilde bağlandılar ve birbirlerini gerçekten kolayca geçtiler. Bunu bir deste iskambil kağıdını havalandırmak gibi hayal edebilirsiniz: desteyi yaymak için fazla çaba gerektirmez çünkü kartlar arasındaki sürtünme gerçekten düşüktür.”

Peter Serles Magnetene Atomik Kuvvet Mikroskobu

Doktora adayı Peter Serles, atomik kuvvet mikroskobuna bir manyeten örneği yerleştiriyor. Bu malzemenin yeni ölçümleri ve simülasyonları, düşük sürtünme davranışının kuantum etkilerinden kaynaklandığını göstermektedir. Kredi: Daria Perevezentsev / Toronto Mühendislik Üniversitesi

Profesör Tobin Filleter ve Chandra Veer Singh, Doktora Sonrası Shwetank Yadav ve laboratuvar gruplarından birkaç mevcut ve mezun öğrenciden oluşan ekip, grafeni diğer 2D malzemelerle karşılaştırarak bu teoriyi test etmek istedi.

Grafen karbondan yapılırken, magneten normalde 3D kafes olarak bulunan bir demir oksit formu olan manyetitten yapılır. Ekibin Rice Üniversitesi’ndeki işbirlikçileri, yalnızca birkaç 2D manyeten tabakasından oluşan bir katmanı dikkatlice ayırmak için yüksek frekanslı ses dalgaları kullanarak 3D manyetiti tedavi etti.

Toronto Üniversitesi Mühendislik ekibi daha sonra manyeten tabakalarını bir atomik kuvvet mikroskobuna yerleştirdi. Bu cihazda, sürtünmeyi ölçmek için keskin uçlu bir sonda manyeten levhanın üstünden sürüklenir. İşlem, bir plak çaların kaleminin bir vinil plak yüzeyinde nasıl sürüklendiğiyle karşılaştırılabilir.

Serles, “Manyeten katmanları arasındaki bağlar, bir grafen levha yığını arasındaki bağlardan çok daha güçlü” diyor. “Birbirlerinin yanından kaymıyorlar. Bizi şaşırtan şey, sondanın ucu ile en üstteki manyeten dilimi arasındaki sürtünmeydi: grafende olduğu kadar düşüktü.”

manyeten

Bu şema, koyu kırmızı küreler demiri ve açık kırmızı küreler oksijeni betimleyerek manyetenin kafes yapısını gösterir. Kredi: Shwetank Yadav / Toronto Mühendislik Üniversitesi

Şimdiye kadar bilim adamları, grafen ve diğer 2D malzemelerin düşük sürtünmesini, tabakaların yalnızca Van der Waals kuvvetleri olarak bilinen zayıf kuvvetler tarafından bağlandıkları için kayabileceği teorisine bağladılar. Ancak yapısı gereği bu kuvvetleri göstermeyen manyetenin düşük sürtünmeli davranışı, başka bir şeyin olduğunu gösteriyor.

Serles, “3B bir malzemeden 2B bir malzemeye geçtiğinizde, kuantum fiziğinin etkileri nedeniyle pek çok olağandışı şey olmaya başlar” diyor. “Dili hangi açıyla kestiğinize bağlı olarak, çok düzgün veya çok pürüzlü olabilir. Atomlar artık bu üçüncü boyutta sınırlı değildir, bu nedenle farklı şekillerde titreşebilirler. Ve elektron yapısı da değişir. Bunların hepsinin birlikte sürtünmeyi etkilediğini gördük.”

Ekip, deneysel sonuçlarını bilgisayar simülasyonlarının öngördüğü sonuçlarla karşılaştırarak bu kuantum fenomenlerinin rolünü doğruladı. Yadav ve Singh, 2B malzeme üzerinde kayan prob ucunun davranışını simüle etmek için Yoğunluk Fonksiyonel Teorisine dayalı matematiksel modeller oluşturdu. Kuantum etkilerini içeren modeller, deneysel gözlemlerin en iyi tahmin edicileriydi.

Serles, ekibin bulgularının pratik sonucunun, kasıtlı olarak ultra düşük sürtünmeli malzemeler tasarlamak isteyen bilim adamları ve mühendisler için yeni bilgiler sunmaları olduğunu söylüyor. Bu tür maddeler, implante edilebilir cihazlar da dahil olmak üzere çeşitli küçük ölçekli uygulamalarda kayganlaştırıcı olarak faydalı olabilir.

Örneğin, belirli bir ilacı kontrollü bir miktarda vücudun belirli bir bölümüne ileten küçük bir pompa hayal edilebilir. Diğer mikro-elektro-mekanik sistemler, bir sensöre güç sağlamak için atan bir kalbin enerjisini toplayabilir veya bir petri kabında bir hücre türünü diğerinden ayırabilen küçük bir robot manipülatörü çalıştırabilir.

Yeni çalışmanın ilgili yazarı Filleter, “Bu kadar küçük hareketli parçalarla uğraşırken, yüzey alanının kütleye oranı gerçekten yüksek” diyor. “Bu, işlerin tıkanma olasılığının çok daha yüksek olduğu anlamına geliyor. Bu çalışmada gösterdiğimiz şey, tam olarak küçük ölçekleri nedeniyle bu 2B malzemelerin bu kadar düşük sürtünmeye sahip olmasıdır. Bu kuantum etkileri daha büyük, 3B malzemeler için geçerli olmaz.”

Serles, bu ölçeğe bağlı etkilerin, demir oksidin toksik olmaması ve ucuz olması gerçeğiyle birleştiğinde, magneteni implante edilebilir mekanik cihazlarda kullanım için çok çekici kıldığını söylüyor. Ancak kuantum davranışları tam olarak anlaşılmadan önce yapılacak daha çok iş olduğunu da ekliyor.

“Bunu hematen veya kromit gibi diğer demir bazlı 2D malzemelerle denedik ve aynı kuantum imzalarını veya düşük sürtünme davranışını görmüyoruz” diyor. “Bu yüzden, yeni tür düşük sürtünmeli malzemelerin tasarımı konusunda daha bilinçli olmamıza yardımcı olabilecek bu kuantum etkilerinin neden gerçekleştiğine odaklanmamız gerekiyor.”

Referans: Peter Serles, Taib Arif, Anand B. Puthirath, Shwetank Yadav, Guorui Wang, Teng Cui, Aravind Puthirath Balan, Thakur Prasad Yadav, Prasankumar Thibeorchews, Nithya Chakingal tarafından “Manyetenin sürtünmesi, van der Waals olmayan bir 2D malzeme” , Gelu Costin, Chandra Veer Singh, Pulickel M. Ajayan ve Tobin Filleter, 17 Kasım 2021, Bilim Gelişmeleri.
DOI: 10.1126 / sciadv.abk2041





#Magnetene #Grafene #Benzer #Bir #Malzeme #Ultra #Düşük #Sürtünme #Elde #Etmek #İçin #Kuantum #Etkilerinden #Yararlanır