Leidse student medeauteur van Sciencepublicatie
De Leidse masterstudent Xin Liu.
De Leidse masterstudent Xin Liu.
De wrijving in atomair dunne laagjes neemt toe naarmate het laagje
dunner is. Een internationaal team van onderzoekers van
nanotechnologie bestudeerde vier stoffen met behulp van
wrijvingskrachtmicroscopie. De Leidse masterstudent Xin Liu maakte
deel uit van het team.
Smeermiddel
Liu heeft natuurkunde in Leiden gestudeerd. Tijdens de eindfase van de
master-opleiding kreeg hij via zijn begeleider prof.dr. Joost Frenken
de kans om aan dit onderzoek mee te werken als zijn afstudeerstage.
De onderzoekers ontdekten een universele eigenschap van de vier zeer
verschillende materialen. Het resultaat is heel verrassend omdat geen
enkele theorie deze toename van wrijving voorspelde. De ontdekking
onthult een belangrijk principe van de stoffen die veel gebruikt
worden als vast smeermiddel bij technische toepassingen. Deze stoffen
zijn bovendien belangrijke kandidaten voor toekomstige
nano-elektronische toepassingen.
Computermodellen
Het rimpeleffect in een laagje van één atoom dik.
Het rimpeleffect in een laagje van één atoom dik.
Verder ontdekten de onderzoekers dat de wrijving in alle vier de
materialen toeneemt als het aantal laagjes minder wordt, ongeacht hoe
verschillend deze stoffen zich chemisch, elektronisch of in het groot
gedragen. De metingen die ondersteund worden door computermodellen,
suggereren: hoe dunner het materiaal, des te flexibeler het is. Net
als een velletje papier dat makkelijker te buigen is dan een dik stuk
karton.
Wrijvingsgedrag
Het onderzoek werd geleid door Robert Carpick van de University of
Pennsylvania en James Hone van Columbia University. Het team
onderzocht de wrijvingseigenschappen op nanoschaal van grafeen â
atomair dunne lagen van grafiet, molybdeendisulfide (MoS2), hexagonaal
boornitride (h-BN) en niobiumdiselenide (NbSe2). Ze schaafden
letterlijk laagjes van de dikte van een atoom van iedere stof af op
een ondergrond van siliciumoxide en vergeleken de resultaten van
dezelfde materialen in het groot, oftewel in lagen van miljoenen
atomen. Iedere stof vertoonde hetzelfde wrijvingsgedrag, ondanks de
verschillende elektronische eigenschappen die variëren van metallisch
via halfgeleidend tot isolerend.
Rimpeleffect
âWe noemen dit mechanisme dat leidt tot hogere wrijving bij dunnere
laagjes het ârimpeleffectââ, zegt Liu. âKrachten tussen de atomen,
zoals de Van der Waalskracht, zorgen ervoor dat het dunne laagje wordt
aangetrokken door de scannaaldpunt van de atoomkrachtmicroscoop die
wrijving meet op nanoschaal.
Omdat het laagje zo dun is â in sommige gevallen slechts één atoom
dik â buigt het af in de richting van de naald. Hierdoor ontstaat een
rimpelige vorm en wordt het oppervlak van het laagje dat in
wisselwerking met de naald staat, groter en dus neemt de wrijving toe.
Contactoppervlak
Als de naald over het oppervlak glijdt, vervormt het laagje nog meer
doordat het gedeeltelijk door de punt wordt meegetrokken, waarbij het
voorste gedeelte van het contactoppervlak met de naald wordt
gerimpeld. Dikkere laagjes kunnen niet zo makkelijk verbuigen, omdat
die veel stijver zijn. Daardoor is de toename in wrijving daar minder
uitgesproken.
Mica
De onderzoekers ontdekten dat de toename in wrijving voorkomen kon
worden als de laagjes stevig gebonden waren aan de ondergrond. Als de
stoffen aan het vlakke, hoogenergetische oppervlak van mica â een
natuurlijk mineraal â gebonden waren, verdween het effect. De wrijving
blijft hetzelfde ongeacht het aantal laagjes, omdat de stof stevig met
het mica is verbonden, waardoor er geen rimpeling kan ontstaan.
Spannend
âDe nanotechnologie bestudeert hoe stoffen zich anders gaan gedragen
naarmate ze worden teruggebracht op nanoschaalâ, vertelt Carpick. âOp
fundamenteel niveau is het weer spannend om een eigenschap te
ontdekken die fundamenteel verandert als een stof dunner wordt.â De
ontdekking kan consequenties hebben voor het ontwerp van
nanomechanische apparaatjes die gebruikmaken van grafeen, dat een van
de sterkste materialen is die bekend zijn. En de ontdekking kan
onderzoekers helpen beter het macroscopische gedrag van grafiet, MoS2
en boornitride te begrijpen. Die stoffen worden gebruikt als
smeermiddel in machines om wrijving en slijtage te voorkomen.
Beurscoördinatie
Liuâs verblijf van zes maanden in de Verenigde Staten voor dit
onderzoek werd met de hulp van de beurscoördinatie van Gloria
Schildwacht het international office geregeld. Het werd
medegefinancierd door de Leidse Outboundbeurs, het Leidse
Curatorenfonds en de Gorterstichting van de afdeling natuurkunde in
Leiden. Momenteel is Xin Liu werkzaam in de onderzoeksgroep van Robert
Carpick aan de University of Pennsylvania.
Profileringsgebied
Fundamentals of science
Onderwijs
Natuurkunde
NanoScience
Physics
Research in Experimental Physics
(13 april 2010/SH)
Universiteit Leiden