Un team di ricercatori dell’Università di Toronto Engineering e della Rice University ha riportato le prime misurazioni del comportamento a bassissimo attrito di un materiale noto come magnetene. I risultati indicano la strada verso strategie nuove per la progettazione di materiali simili, a basso attrito, utilizzabili in una varietà di campi, compresi piccoli dispositivi impiantabili.

Il magnetene è un materiale 2D, il che significa che è composto da un singolo strato di atomi. A questo proposito, è simile al grafene, un materiale che è stato studiato molto per le sue proprietà insolite, tra cui l’attrito ultra-basso, sin dalla sua scoperta nel 2004. “La maggior parte dei materiali 2D sono come fogli piatti”, afferma il dottorando Peter Serles, che è l’autore principale del nuovo articolo pubblicato il 17 novembre 2021 su Science Advances.

Ma mentre il grafene è fatto di carbonio, il magnetene è fatto di magnetite, una forma di ossido di ferro, che normalmente esiste come reticolo 3D. I collaboratori del team della Rice University hanno trattato la magnetite 3D utilizzando onde sonore ad alta frequenza per separare attentamente uno strato costituito da pochi fogli di magnetene 2D.

Il team di ingegneri dell’Università di Toronto ha quindi inserito i fogli di magnetene in un microscopio a forza atomica. In questo dispositivo, una sonda a punta affilata viene trascinata sulla parte superiore del foglio di magnetene per misurare l’attrito. Il processo è paragonabile a come lo stilo di un giradischi viene trascinato sulla superficie di un disco in vinile.

“I legami tra gli strati di magnetene sono molto più forti di quanto sarebbero tra una pila di fogli di grafene”, afferma Serles. “Non scivolano l’uno sull’altro. Ciò che ci ha sorpreso è stato l’attrito tra la punta della sonda e la fetta più alta di magnetene: era bassa quanto lo è nel grafene”.

Fino ad ora, gli scienziati avevano attribuito il basso attrito del grafene e di altri materiali 2D alla teoria che i fogli possono scivolare perché sono legati solo da forze deboli note come forze di Van der Waals. Ma il comportamento a basso attrito del magnetene, che non mostra queste forze a causa della sua struttura, suggerisce che sta succedendo qualcos’altro.

“Quando si passa da un materiale 3D a un materiale 2D, iniziano ad accadere molte cose insolite a causa degli effetti della fisica quantistica”, afferma Serles. “A seconda dell’angolo in cui si taglia la fetta, può essere molto liscia o molto ruvida. Gli atomi non sono più così limitati in quella terza dimensione, quindi possono vibrare in modi diversi. E anche la struttura elettronica cambia. Abbiamo scoperto che tutti questi fattori insieme, influenzano l’attrito”.

Il team ha confermato il ruolo di questi fenomeni quantistici confrontando i loro risultati sperimentali con quelli previsti dalle simulazioni al computer. Yadav e Singh hanno costruito modelli matematici basati sulla teoria funzionale della densità per simulare il comportamento della punta della sonda che scivola sul materiale 2D. I modelli che incorporavano gli effetti quantistici erano i migliori predittori delle osservazioni sperimentali.

Serles afferma che il risultato pratico delle scoperte del team è che offrono nuove informazioni per scienziati e ingegneri che desiderano progettare intenzionalmente materiali a bassissimo attrito. Tali sostanze potrebbero essere utili come lubrificanti in varie applicazioni su piccola scala, compresi i dispositivi impiantabili. Ad esempio, si potrebbe immaginare una piccola pompa che fornisce una quantità controllata di un determinato farmaco a una certa parte del corpo.

“Quando si ha a che fare con parti mobili così piccole, il rapporto tra superficie e massa è davvero alto”, afferma Filleter, autore corrispondente del nuovo studio. “Ciò significa che le cose hanno molte più probabilità di rimanere bloccate. Quello che abbiamo mostrato in questo lavoro è che è proprio a causa della loro piccola scala che questi materiali 2D hanno un attrito così basso. Questi effetti quantistici non si applicherebbero a materiali 3D più grandi”.

Serles afferma che questi effetti dipendenti dalla scala, combinati con il fatto che l’ossido di ferro non è tossico e poco costoso, rende il magnetene molto attraente per l’uso in dispositivi meccanici impiantabili. Ma aggiunge che c’è ancora molto lavoro da fare prima che i comportamenti quantistici siano pienamente compresi.