磁烯--一种类似石墨烯的二维材料--利用量子效应实现超低摩擦力机械

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磁烯作为润滑剂可以在植入式设备或其他微电子机械系统中得到有用的应用。来自多伦多大学工程学院和莱斯大学的一个研究小组报告了对一种被称为磁烯的材料的超低摩擦行为的首次测量。这些结果为设计类似的低摩擦材料指明了方向，这些材料可用于各种领域，包括微小的、可植入的设备。
磁烯是一种二维材料，意味着它是由单层原子组成的。在这方面，它类似于石墨烯，一种自2004年发现以来因其不寻常的特性--包括超低摩擦--而被深入研究的材料。
\"大多数二维材料是以平板形式形成的， \"博士生Peter Serles说，他是2021年11月17日发表在《科学进展》上的新论文的主要作者。
\"理论上，这些石墨烯薄片表现出低摩擦行为，因为它们只是非常弱的结合，并且非常容易地相互滑过。你可以想象它就像扇开一副扑克牌：不需要太多努力就能把这副牌扇开，因为扑克牌之间的摩擦力非常低。 \"

博士生Peter Serles将一个磁烯样品放在原子力显微镜下。对这种材料的新测量和模拟显示，其低摩擦行为是由于量子效应造成的。
该团队包括Tobin Filleter和Chandra Veer Singh教授、博士后Shwetank Yadav以及他们实验室小组的几名在校生和毕业生，他们想通过比较石墨烯和其他二维材料来测试这一理论。
石墨烯是由碳制成的，而磁烯是由磁铁矿制成的，这是一种氧化铁的形式，通常以三维晶格的形式存在。该团队在莱斯大学的合作者使用高频声波处理三维磁铁矿，仔细分离出仅由几张二维磁烯组成的层。
多伦多大学工程团队随后将磁烯片放入一个原子力显微镜。在这个设备中，一个尖锐的探针在磁烯片的顶部被拖动，以测量摩擦。这个过程类似于唱片机的触针在黑胶唱片的表面被拖动。
\"Serles说：\"磁烯层之间的结合要比一叠石墨烯片之间强得多。 \"它们不会相互滑动。令我们惊讶的是探针尖端和最上层的磁烯片之间的摩擦力：它和石墨烯中的摩擦力一样低。 \"

该示意图显示了磁烯的晶格结构，深红色的球体代表铁，浅红色的球体代表氧。
到目前为止，科学家们将石墨烯和其他二维材料的低摩擦力归因于这样一个理论，即这些薄片可以滑动，因为它们只是通过被称为范德瓦尔斯力的微弱力量结合在一起。但是磁烯的低摩擦行为，由于其结构而没有表现出这些力，表明还有其他的事情正在发生。
\"Serles说：\"当你从一种三维材料变成一种二维材料时，由于量子物理学的影响，许多不寻常的事情开始发生。 \"根据你切割切片的角度，它可以非常光滑或非常粗糙。原子在第三维中不再受到限制，因此它们可以以不同的方式振动。而且电子结构也发生了变化。我们发现，所有这些都会影响摩擦力。 \"
该小组通过将他们的实验结果与计算机模拟预测的结果进行比较，确认了这些量子现象的作用。亚达夫和辛格构建了基于密度泛函理论的数学模型来模拟探针尖端在二维材料上滑动的行为。包含量子效应的模型是对实验观察结果的最佳预测。
Serles说，研究小组的发现的实际结果是，它们为希望有意设计超低摩擦材料的科学家和工程师提供了新的信息。这种物质可能在各种小规模的应用中作为润滑剂而有用，包括植入式设备。
例如，人们可以想象一个微小的泵，将受控数量的特定药物输送到身体的某个部位。其他类型的微电子机械系统可以收集心脏跳动的能量，为传感器提供动力，或为能够在培养皿中从另一种类型的细胞中分拣出的微小机器人操纵器提供动力。
\"这项新研究的通讯作者Filleter说：\"当你处理如此微小的运动部件时，表面积与质量的比率真的很高。 \"这意味着东西更有可能被卡住。我们在这项工作中所显示的是，正是由于其微小的规模，这些二维材料具有如此低的摩擦。这些量子效应不会适用于较大的三维材料。 \"
Serles说，这些与尺度有关的效应，再加上氧化铁无毒和廉价的事实，使得磁烯在植入式机械装置中的应用非常有吸引力。但他补充说，在完全理解量子行为之前，还有更多的工作要做。

磁烯--一种类似石墨烯的二维材料--利用量子效应实现超低摩擦力

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