Riassunto analitico
Lo spreco di energia e i costi ambientali associati all'attrito e all'usura ha innescato una grande attività di ricerca per trovare nuovi materiali lubrificanti. I materiali 2D hanno recentemente attirato crescente attenzione come alternativa ecologica agli additivi per lubrificanti nell'olio di base e come rivestimenti sottili per ridurre l'usura e l'attrito delle interfacce solide.
Il fosforene, un singolo strato di fosforo nero, attrae interesse come alternativa al grafene per applicazioni tecnologiche, specialmente per quelle che richiedono proprietà semiconduttive.
Tuttavia, il fosforene possiede anche un grande potenziale per applicazioni (nano)tribologiche grazie alla sua struttura layered e alla capacità del fosforo di ridurre l'attrito e l'adesione nei contatti ferro/acciaio. Infatti, il fosforo è un elemento chiave negli additivi lubrificanti utilizzati negli oli motore. Nonostante queste caratteristiche promettenti, le proprietà lubrificanti del fosforene non sono state ancora studiate.
Nel presente lavoro consideriamo il fosforene come possibile lubrificante solido e calcoliamo le sue proprietà tribologiche mediante un approccio ab initio computazionale.
Innanzitutto, le proprietà elettroniche e strutturali del fosforene sono studiate in funzione del numero dei layer. Successivamente, la interlayer binding energy e lo shear strength sono valutati per differenti orientalmenti interlayer. Una superlubricità strutturale viene identificata per un orientamento perpendicolare dei layer.
Nella seconda parte del lavoro, la capacità del fosforene di lubrificare il ferro viene valutata e confrontata con quella di due noti lubrificanti solidi: grafene e MoS2. La tribochimica di MoS2 su ferro è studiata qui per la prima volta.
I risultati indicano che le interfacce di ferro lubrificate da un singolo layer di fosforene presentano minore adesione e attrito rispetto a quelle lubrificate da grafene e MoS2. Invece, intercalare un doppio layer produce effetti simili per tutti i materiali considerati.
Le proprietà ottimali del fosforene sono dovute alla struttura dei suoi layer, che consiste in due piani atomici di fosforo. La separazione di questi piani viene osservata quando il singolo layer è intercalato nel ferro. Pertanto, un singolo strato di fosforene può completamente passivare l'interfaccia metallica, producendo effetti lubrificanti che in altri materiali 2D possono essere ottenuti solo con film bilayer.
Il presente studio fornisce nuove intuizioni fondamentali sulle proprietà strutturali, elettroniche e tribologiche del fosforene. Tale comprensione, unitamente a un confronto con grafene e MoS2, può aprire la strada all'applicazione del fosforene come lubrificante solido.
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Abstract
The waste of energy and environmental costs associated to friction and wear has triggered a great research activity in the search for novel lubricant materials. 2D materials have recently attracted increasingly attention as environmental-friendly alternative to lubricants additives in base oil and as thin coatings to reduce the wear and friction of solid interfaces.
Phosphorene, a single layer of black phosphorus, is attracting interest as alternative to graphene for technological applications, especially for those requiring semiconducting properties.
However, phosphorene also possesses a great potential for (nano)tribological applications due to its layered structure and for the capability of phosphorus to reduce friction and adhesion in iron/steel contacts. In fact, phosphorus is a key element in lubricant additives used in engine oils. In spite of these promising characteristics, the lubricating properties of phosphorene have not been investigated so far.
In the present work we consider phosphorene as a possible solid lubricant and calculates its tribological properties by means of a computational ab initio approach.
First, the electronic and structural properties of phosphorene are studied as a function of the number of layers. Then, the interlayer binding energy and shear strength are evaluated for different interlayer orientations. A structural superlubricity is identified for a perpendicular layer orientation.
In the second part of the work, the capability of phosphorene to lubricate iron is evaluated and compared to those of two well known solid lubricants: graphene and MoS2. The tribochemistry of MoS2 on iron is studied here for the first time.
The results indicate that iron interfaces lubricated by a single layer of phosphorene present lower adhesion and friction than those lubricated by graphene and MoS2. Instead, the bilayer intercalation produces similar effects for all the considered materials.
The optimal properties of phosphorene are due to its layers structure, consisting of two atomic planes of phosphorus. The separation of these planes is observed once the single layer is intercalated within iron. Therefore, a single phosphorene layer can fully passivate the metal interface, producing lubricant effects that in other 2D materials can only be obtained with bilayer films.
The present study provides new fundamental insights into the structural, electronic, and tribological properties of phosphorene. Such understanding, together with a comparison with graphene and MoS2 can open the way to the application of phosphorene as solid lubricant.
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