ग्राफीन: सबसे अच्छा ठोस स्नेहक

आमतौर पर, जब यह ग्रेफीन की बात आती है, तो संघ तुरंत कुछ सूक्ष्म, नग्न आंखों के लिए अदृश्य और, अब तक, प्रयोगशाला के बाहर कोई व्यावहारिक अनुप्रयोग नहीं होने के साथ उत्पन्न होता है। नवीनतम "लागू" खोजों के बारे में समाचार पढ़ने के बाद इस धारणा को बढ़ाया जाता है - चाहे वह "सबसे पतला मोटर" हो या "सबसे पतला और सबसे लचीला ट्रांजिस्टर"। हालांकि, ऐसे अनुप्रयोगों के अलावा जो उपयोगी हैं, लेकिन (अभी तक) वास्तविक जीवन से बहुत दूर हैं, ऐसे क्षेत्र हैं जहां अभी ग्राफीन का उपयोग किया जा सकता है, और एक मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर। उनमें से एक ट्राइबोलॉजी है।



सबसे पहले, विशेष रूप से ट्राइबोलॉजी के बारे में कुछ शब्द, और विशेष रूप से ट्राइबोलॉजिकल गुणों के माप के बारे में। यदि आधिकारिक तौर पर, तो ट्राइबोलॉजी फ्रिक्शन और वियर का विज्ञान है, जिसके अध्ययन का उद्देश्य शरीर की एक जोड़ी है जो यांत्रिक संपर्क में हैं और एक दूसरे के सापेक्ष घूम रहे हैं। सामान्य तौर पर, यदि आप इसके बारे में सोचते हैं, तो गुरुत्वाकर्षण के बाद घर्षण संभवतः दूसरी सबसे महत्वपूर्ण शारीरिक घटना है। बिना घर्षण के एक कुर्सी पर बैठने की कोशिश करें। नहीं, आप पहले उसके पास पहुँचें!



दो मुख्य मूर्त आदिवासी पैरामीटर घर्षण और पहनने के गुणांक हैं। घर्षण के गुणांक के साथ, सब कुछ सरल है - यह घर्षण बल का अनुपात उस बल के साथ है जिसके साथ निकायों को एक दूसरे के खिलाफ दबाया जाता है। मैं पहली बार इस परिमाण वर्ग से परिचित हुआ, शायद सातवीं में, भौतिकी प्रयोगशालाओं में। याद रखें, एक स्प्रिंग डायनेमोमीटर की मदद से, उन्होंने एक लकड़ी के ब्लॉक को दूसरे पर खींचा और इस बहुत घर्षण बल को मापा? किसी ने पहनने के बारे में स्पष्ट कारणों के लिए उल्लेख नहीं किया है - इसे मापने के लिए कुछ समस्याग्रस्त था। पहनने का गुणांक एक पदार्थ के आयतन का अनुपात है जो घर्षण के दौरान शरीर से अलग हो गया है, फिसलने की दूरी तक। सबसे सरल उदाहरण एक कील के साथ खरोंच की गई ईंट है। खरोंच की लंबाई के परिणामस्वरूप क्रंब की मात्रा का अनुपात पहनने का कारक होगा।



एक आधुनिक प्रयोगशाला में, आदिवासी विशेषताओं को मापने का सिद्धांत व्यावहारिक रूप से एक स्कूल प्रयोगशाला से अलग नहीं है। घर्षण मापने के लिए एक सरल उपकरण इस तरह दिख सकता है:



मुख्य घटकों को रंगीन फ्रेम के साथ घेर लिया जाता है: 1) एक ऊर्ध्वाधर एक्ट्यूएटर, जिसका उपयोग मापने वाले सिर को ऊपर और नीचे ले जाने के लिए किया जाता है (सामान्य बल को नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है) 2) एक मापने वाला सिर (घर्षण बल सेंसर) एक स्प्रिंग बीम के साथ अंत (3) से जुड़ा होता है। परीक्षण नमूना (4) एक मेज पर चिपकाया जाता है जो सामान्य बल सेंसर पर घुड़सवार होता है। यह सब रेल के साथ एक्स अक्ष के साथ आगे और पीछे जाता है, जो मेरी मेज के पास बेडसाइड टेबल पर खड़ा है))) ऊपरी दाएं कोने में, आप राष्ट्रीय उपकरण से एडीसी मॉड्यूल देख सकते हैं, जो सेंसर से सिग्नल को संसाधित करता है। दोनों एक्ट्यूएटर स्टेपर मोटर्स हैं। सब कुछ विंडोज के लिए स्व-निर्मित सॉफ्टवेयर द्वारा नियंत्रित किया जाता है।



बीम के अंत में सफेद गेंद का व्यास 1 मिमी है, जो जिरकोनियम ऑक्साइड से बना है। नमूना, इस मामले में, एक सिलिकॉन वेफर 10 × 10 मिमी ² । यदि आप मापने वाले सिर को नीचे ले जाना शुरू करते हैं, तो गेंद नमूने की सतह को छूती है, और आगे के आंदोलन के साथ यह उस पर एक बल के साथ दबाना शुरू कर देता है जो निलंबन की लोच और इसके विरूपण की डिग्री पर निर्भर करता है। आमतौर पर, 1 मिमी 10 मिलीवटन से मेल खाती है। सटीक मान निचले सेंसर द्वारा मापा जाता है।



यदि हम निचली गाड़ी के घूमने की गति को निर्धारित करते हैं, और कहते हैं, रुको, 10 मिनट, तो अपने नमूने की सतह पर हम ऐसी तस्वीर देखेंगे (बाईं ओर एक शीर्ष दृश्य है, दाईं ओर मध्य भाग की एक त्रि-आयामी छवि है; ट्रैक की लंबाई 2 मिमी है):



"हे भगवान, सब कुछ चला गया है!" ठीक है, या "हम इसे मिटा दिया!"।

चक्रों की संख्या पर घर्षण के गुणांक की निर्भरता इस तरह दिखाई देगी:









अब वापस ग्राफीन के लिए। यदि किसी भी तरह से सिलिकॉन ग्राफीन पर लागू किया जाता है, तो तस्वीर नाटकीय रूप से बदल जाएगी!

समान परीक्षण मापदंडों के साथ, हम नमूने की सतह पर पहनने के किसी भी संकेत को नहीं देखेंगे, जबकि घर्षण गुणांक वक्र इस तरह दिखेगा:







यानी इस तथ्य के बावजूद कि ग्रेफीन की परत की नैनोमीटर से कम मोटाई है, और हम इसे मिलीमीटर की गेंद के साथ चिपकाते हैं, यह अभी भी आंसू नहीं करता है। यह ताकत है!

"बंद करो!" चौकस पाठक कहेगा। उन्होंने एक व्यावहारिक अनुप्रयोग का वादा किया! आपने सिलिकॉन फ्लैट को कहां देखा है? ठीक है, कहीं नहीं। लेकिन, सौभाग्य से, प्रकाश पच्चर पर सिलिकॉन में परिवर्तित नहीं हुआ। इसके अलावा, सिलिकॉन पर ग्राफीन तांबे से इसके स्थानांतरण का परिणाम है, जिस पर यह उगाया जाता है, और यह पहले से ही अधिक दिलचस्प है।



ग्रेफीन उत्पादन के लिए दो मुख्य विधियाँ हैं। पहला मैकेनिकल एक्सफोलिएशन है। हमें इसमें कोई दिलचस्पी नहीं है, क्योंकि यह हमें एक बड़े क्षेत्र (कई मिलीमीटर से अधिक) का कवरेज प्राप्त करने की अनुमति नहीं देता है। दूसरी विधि रासायनिक वाष्प जमाव (रासायनिक वाष्प जमाव, सीवीडी) है। इस विधि में, कॉपर सब्सट्रेट को एक भट्टी में रखा जाता है और लगभग 1000 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर गर्म किया जाता है। फिर भट्ठी को शुद्ध हाइड्रोजन के साथ सतह ऑक्साइड को कम करने के लिए शुद्ध किया जाता है, और मीथेन से भर दिया जाता है। उच्च तापमान पर, मीथेन का विघटन होता है, जो तांबे की सतह पर कार्बन (ग्राफीन) फिल्म बनाता है, जो उत्प्रेरक का काम करता है। ग्राफीन परतों की संख्या मीथेन की एकाग्रता और एक्सपोज़र के समय पर निर्भर करती है, आमतौर पर 5-20 मिनट। उसके बाद, सब्सट्रेट को धीरे-धीरे एक निष्क्रिय वातावरण में ठंडा किया जाता है। नतीजतन, हमें ग्रेफीन के साथ समान रूप से लेपित तांबे का एक टुकड़ा मिलता है। और वह घर्षण से कैसे कर रहा है? हाँ, बहुत बढ़िया!



यह आंकड़ा शुद्ध तांबे के घर्षण गुणांक को दर्शाता है, साथ ही तांबे के दो टुकड़े अलग-अलग मोटाई के ग्राफीन (मीथेन 5 और 20 मिनट में एक्सपोज़र का समय) के साथ लेपित हैं:







जैसा कि आप देख सकते हैं, शुद्ध तांबा तुरंत छोड़ देता है। लेकिन "मोटी" ग्राफीन (5 परतें) जीवन काल को दस गुना बढ़ा देती हैं! उसी समय, तांबे की सतह अभी भी विकृत है, और एक "चैनल" बनता है, एक गेंद के आकार को दोहराते हुए (बाईं ओर शुद्ध तांबा, दाईं ओर ग्रेफीन):



लेकिन सतह के विरूपण के बावजूद, ग्राफीन स्कोरिंग के गठन को रोकता है, जो कम स्तर पर घर्षण का गुणांक रखता है।



फिर भी, सब कुछ दबाव में ढह जाता है, और ग्राफीन कोई अपवाद नहीं है। पिछले आंकड़े में, इस क्षण को "महत्वपूर्ण विफलता बिंदु" के रूप में नामित किया गया है। एक निश्चित संख्या में चक्रों के बाद, घर्षण गुणांक बढ़ने लगता है, हालांकि यह शुद्ध तांबे की तुलना में कम रहता है। और यह ग्रेफीन छीलने और तांबे की सतह के संपर्क के कारण नहीं है, जैसा कि कोई सोच सकता है ("अच्छी तरह से, इसके माध्यम से मिटा दिया गया")। नहीं, ग्राफीन जगह में रहता है, लेकिन इसकी संरचना को बदलता है। ऊपरी परत नष्ट हो जाती है, अनाकार हो जाती है, और अनाकार कार्बन घर्षण का उच्च गुणांक होता है। हालांकि, ग्राफ़ीन ऑक्सीकरण से तांबे की सतह की रक्षा करना जारी रखता है।



यह एक तांबा असर खोल बनाने के लिए बनी हुई है, इसे ग्राफीन और घूंघट के साथ कवर करें! सूखा नैनो-ग्रीस तैयार है। वैसे, अगर ग्राफीन को गेंदों पर खुद भी लगाया जाता है, तो परिणाम अभूतपूर्व होगा। लेकिन अगली बार के बारे में और अधिक।



संदर्भ:

[१] एमएस वोन, ओवी पेनकोव, डीई किम। शुष्क संपर्क स्लाइडिंग के तहत घन सब्सट्रेट पर जमा ग्राफीन कोटिंग्स की स्थायित्व और गिरावट तंत्र। कार्बन 54, पीपी। 472–481, 2013।

[२] ओवी पेनकोव, एचजे किम, एचजे किम, डीई किम। ट्राइबोलॉजी ऑफ़ ग्राफीन: ए रिव्यू। इंटरनेशनल जर्नल ऑफ प्रिसिजन इंजीनियरिंग एंड मैन्युफैक्चरिंग 15, पीपी। 1-9, 2014



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