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凝聚态物理 > 材料科学

arXiv:2508.19938 (cond-mat)
[提交于 2025年8月27日 ]

标题: 纳米尺度力学和天然二维硅酸盐的超低摩擦:云母和石榴石

标题: Nanoscale mechanics and ultralow Friction of natural 2D silicates: Biotite and Rhodonite

Authors:Surbhi Slathia, Manoj Tripathi, Raphael Benjamim de Oliveira, Guilherme da Silva Lopes Fabris, Bruno Ipaves, Raphael Matozo Tromer, Marcelo Lopes Pereira Junior, Gelu Costin, Preeti Lata Mahapatraa, Nicholas R. Glavin, Ajit K. Roy, Venkataramana Gadhamshetty, Douglas Soares Galvao, Alan Dalton, Chandra Sekhar Tiwary
摘要: 二维(2D)硅酸盐已成为一种有前景的超薄材料类,扩展了二维系统的研究范围,超越了传统的范德华晶体。 它们独特的晶体化学和结构各向异性使其在从传感器和柔性压电器件到药物输送和催化等多种应用中具有吸引力。 为了充分发挥其潜力,理解二维硅酸盐家族中厚度相关的力学性能至关重要。 在本研究中,我们研究了两种结构不同的天然硅酸盐:层状云母和链状石榴石。 使用原子力显微镜(AFM),我们发现石榴石的粘附力和模量响应比云母高近十倍。 尽管如此,云母表现出更优越的摩擦性能,超薄(5纳米)薄片的摩擦系数($\sim 0.6 \times 10^{-3}$)明显低于石榴石($\sim 3.6 \times 10^{-3}$)。 为进一步阐明层间粘附,采用了带有Hubbard修正的密度泛函理论(DFT)计算。 这些发现为二维硅酸盐在先进机械和摩擦学应用中的设计和选择提供了有价值的见解。
摘要: Two-dimensional (2D) silicates have emerged as a promising class of ultrathin materials, expanding the landscape of 2D systems beyond conventional van der Waals crystals. Their unique crystal chemistries and structural anisotropies make them attractive for applications ranging from sensors and flexoelectric devices to drug delivery and catalysis. To unlock their full potential, it is critical to understand their thickness-dependent mechanical properties within the family of 2D silicates. In this study, we investigate the nanomechanical and frictional behaviors of two structurally distinct natural silicates: layered Biotite and chain-structured Rhodonite. Using atomic force microscopy (AFM), we found that Rhodonite exhibits nearly ten times higher adhesion force and modulus response compared to Biotite. Despite this, Biotite demonstrates superior frictional performance, with ultrathin (5 nm) flakes showing a remarkably low coefficient of friction ($\sim 0.6 \times 10^{-3}$) versus Rhodonite ($\sim 3.6 \times 10^{-3}$). To further elucidate interlayer adhesion, density functional theory (DFT) calculations with Hubbard correction were employed. These findings offer valuable insights into the design and selection of 2D silicates for advanced mechanical and tribological applications.
主题: 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci)
引用方式: arXiv:2508.19938 [cond-mat.mtrl-sci]
  (或者 arXiv:2508.19938v1 [cond-mat.mtrl-sci] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.19938
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Raphael Benjamim De Oliveira [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 8 月 27 日 14:56:02 UTC (1,900 KB)
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