多伦多大学
这个示意图显示了镁的晶格结构，暗红色的球体代表铁，浅红色的球体代表氧
学分:Shwetank Yadav /多伦多工程大学 多伦多工程大学和莱斯大学的一组研究人员报告了对一种被称为磁铁的材料的超低摩擦行为的首次测量
这一结果为设计类似的低摩擦材料的策略指明了方向，这些材料可用于各种领域，包括微小的可植入装置
镁是一种2D材料，意思是它由单层原子组成
在这方面，它与石墨烯相似，石墨烯是一种自2004年被发现以来就因其不寻常的特性——包括超低摩擦——而被深入研究的材料
“大多数2D材料是由平板形成的，”博士说
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候选人彼得·塞勒斯是今天在科学进展发表的新论文的主要作者
“理论上，这些石墨烯片表现出低摩擦行为，因为它们的结合非常弱，很容易彼此滑过
你可以想象它就像一副扑克牌展开一样:不需要太多努力就能展开，因为牌之间的摩擦力很小
" 该团队包括托宾·菲尔特教授和钱德拉·维尔·辛格教授、博士后施韦坦克·亚达夫以及他们实验室小组的几名现任和已毕业学生，他们希望通过将石墨烯与其他2D材料进行比较来检验这一理论
石墨烯由碳制成，而镁则由磁铁矿制成，磁铁矿是氧化铁的一种形式，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，仔细分离出一层仅由几片2D磁铁组成的层
多伦多大学工程团队随后将磁铁片放入原子力显微镜中
在这个装置中，一个尖尖的探针被拖到磁铁片的顶部来测量摩擦力
这个过程类似于唱机的唱针被拖过黑胶唱片的表面
博士候选人彼得·塞勒斯将磁铁样品放入原子力显微镜中
对这种材料的新的测量和模拟表明，它的低摩擦行为是由于量子效应
学分:Daria Perevezentsev /多伦多工程大学 塞尔斯说:“磁性层之间的结合比一堆石墨烯片之间的结合强得多。”
“他们不会从对方身边滑过
让我们惊讶的是探针尖端和最上面一块磁铁之间的摩擦:它和石墨烯一样低
" 直到现在，科学家们将石墨烯和其他2D材料的低摩擦归因于这样一种理论，即薄片可以滑动，因为它们只被称为范德华力的弱力结合在一起
但是磁铁的低摩擦行为，由于它的结构而没有表现出这些力，表明有别的东西在发生
“当你从3D材料变成2D材料时，由于量子物理的影响，很多不寻常的事情开始发生，”塞莱斯说
“根据你切切片的角度，它可能非常光滑，也可能非常粗糙
原子不再局限于第三维度，所以它们可以以不同的方式振动
电子结构也会改变
我们发现所有这些都会影响摩擦力
" 该团队通过将实验结果与计算机模拟预测的结果进行比较，证实了这些量子现象的作用
Yadav和Singh构建了基于密度泛函理论的数学模型来模拟探针尖端滑过2D材料的行为
包含量子效应的模型是实验观测的最佳预测器
Serles说，该团队发现的实际结果是，他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
这类物质可能在各种小规模应用中用作润滑剂，包括可植入装置
例如，人们可以想象一个微型泵，将控制量的给定药物输送到身体的特定部位
其他种类的微机电系统可以从跳动的心脏中获取能量，为传感器供电，或者为一个微型机器人操作器供电，该机器人操作器能够在培养皿中将一种细胞与另一种细胞进行分类
这项新研究的对应作者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非常高。”
“这意味着事情更有可能陷入僵局
我们在这项工作中展示的是，正是因为它们的微小尺度，这些2D材料具有如此低的摩擦
这些量子效应不适用于更大的三维材料
" Serles说，这些依赖于尺度的效应，加上氧化铁无毒且便宜的事实，使得magnetene在植入式机械装置中的应用非常有吸引力
但他补充说，在量子行为被完全理解之前，还有更多工作要做
他说:“我们已经在其他类型的铁基2D材料上尝试过这种方法，比如血红素或氧化铬，我们没有看到相同的量子特征或低摩擦行为。”
“因此，我们需要专注于为什么会发生这些量子效应，这可能有助于我们更有意识地设计新型低摩擦材料
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