磁烯利用量子效应

磁铁烯是A.二维材料，意味着它由单个原子组成。在这方面，它类似于石墨烯自2004年被发现以来，人们对这种材料的不同寻常的特性(包括超低摩擦)进行了深入研究。

“大多数2D材料形成的是平板，”博士生彼得·塞尔斯(Peter Serles)说。“理论是，这些石墨烯片表现出低摩擦行为，因为它们只有非常弱的结合，并且非常容易滑过彼此。你可以把它想象成展开一副扑克牌:因为纸牌之间的摩擦非常小，所以不需要花太多力气展开纸牌。”

该团队包括Tobin filter教授和Chandra Veer Singh教授，博士后Shwetank Yadav，以及他们实验室小组的几名在读和毕业学生，他们想通过比较石墨烯和其他二维材料来验证这一理论。

石墨烯是由碳制成的，而磁铁是由磁铁矿制成的，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对3D磁铁矿进行处理，仔细地分离了仅由几片2D磁铁矿组成的一层。

然后，多伦多工程团队将磁烯片放入原子力显微镜中。在该装置中，将尖锐的探针拖到磁烯片顶部以测量摩擦。该过程与记录播放器的触控笔如何拖动乙烯基唱片的表面。

Serles说:“磁性层之间的键要比一堆石墨烯层之间的键强得多。”“他们不会滑过彼此。让我们惊讶的是，探针尖端和最上层磁铁之间的摩擦:它和石墨烯中一样低。”

到目前为止，科学家们将石墨烯和其他二维材料的低摩擦归结于一种理论，即薄片可以滑动，因为它们只有被称为范德华力(Van der Waals forces)的弱作用力。但是，由于其结构的原因，磁铁的低摩擦行为并没有表现出这些力，这表明有其他的事情正在发生。

“当你从3D材料到2D材料时，由于量子物理学的影响，很多不寻常的事情开始发生，”Serles说。“取决于你切片的角度，它可以非常光滑或非常粗糙。原子不再受到第三维度的限制，因此它们可以以不同的方式振动。并且电子结构也变化。我们发现了所有这些共同影响摩擦。“

研究小组通过比较实验结果和计算机模拟预测的结果，确认了这些量子现象的作用。Yadav和Singh建立了基于密度泛函理论的数学模型，以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实验观测的最佳预测者。

Serles表示，该团队调查结果的实际结果是，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新信息。这些物质可用作各种小规模应用中的润滑剂，包括可植入装置。

例如，可以想象一个微小的泵，其将受控量的给定药物送到身体的某个部分。其他类型的微电机械系统可以收集跳动心的能量，为传感器供电，或者能够为培养皿中另一类分类一种类型的细胞的微小机器人操纵器。

“当你处理这种微小的动作部位时，表面积到质量的比例真的很高，”新研究的相应作者的填充表说。“这意味着事情更容易被困。我们在这项工作中表现出的是，它正是因为它们的微小规模，即这些2D材料具有如此低的摩擦。这些量子效应不会适用于较大的3D材料。“

Serles表示，这些级别依赖的效果，结合氧化铁无毒和廉价的事实，使磁烯非常具有吸引力，在可植入的机械装置中使用。但他补充说，在量子行为完全理解之前还有更多的工作要做。

“我们已经尝试过其他类型的基于铁的2D材料，例如血红素或染色体，我们没有看到相同的量子签名或低摩擦行为，”他说。“所以我们需要归零，为什么这些量子效应正在发生，这可以帮助我们更加有意地了解新型低摩擦材料的设计。”

这篇论文发表在科学的进步。