Graphen bewegt sich reibungslos auf Gold

Ein Graphen-Nanoband wird mithilfe der Spitze eines Rasterkraftmikroskops über eine Goldoberfläche gezogen. Dabei werden nur extrem kleine Reibungskräfte beobachtet. Quelle: Universität Basel, Departement Physik

Der modifizierte Kohlenstoff Graphen hat ein vielfältiges Potenzial als Beschichtung in Maschinenbauelementen und im Bereich von elektronischen Schaltern. Ein internationales Forschungsteam um Physiker der Universität Basel hat die Schmierfähigkeit des Materials auf der Nanometerskala untersucht. Da es beinahe keine Reibung verursacht, könnte es als Beschichtung den Energieverlust von Maschinen drastisch reduzieren, berichten die Forscher im Magazin «Science».

Graphen könnte künftig als extrem dünne Beschichtung verwendet werden, durch die der Energieverlust zwischen mechanischen Teilen gegen Null geht. Dies beruht auf der enorm hohen Schmierfähigkeit des veränderten Kohlenstoffs in Form von Graphen, der sogenannten Supraschmierfähigkeit. Mit der Anwendung dieser Eigenschaft auf mechanische und elektromechanische Geräte liesse sich nicht nur Energie sparen, sondern auch die Lebensdauer der Apparate erheblich verlängern.

Mit einem doppelten Ansatz – experimentell und rechnerisch – hat eine internationale Gruppe von Physikern die überdurchschnittliche Schmierfähigkeit von Graphen untersucht. Dazu fixierten sie zweidimensionale Streifen aus Kohlenstoffatomen, sogenannte Graphen-Nanobänder, an der Spitze eines Rasterkraftmikroskops und zogen sie über eine Goldoberfläche. Mit computergestützten Berechnungen wurden die Wechselwirkungen zwischen den sich gegeneinander bewegenden Oberflächen untersucht. Damit will das Team um Prof. Ernst Meyer der Universität Basel die bisher wenig erforschten Ursachen des Supraschmierverhaltens ergründen.

Ursachen des Schmierverhaltens ergründen

Von der Untersuchung der Graphen-Bänder erhoffen sich die Forscher nicht nur Erkenntnisse über das Gleitverhalten. Die Messung der mechanischen Eigenschaften des Kohlenstoffmaterials macht zusätzlich Sinn, da es grosses Potenzial für eine ganze Reihe an Anwendungen im Bereich von Beschichtungen und mikromechanischen Schaltern hat. Selbst elektronische Schalter könnten in Zukunft durch nanomechanische Schalter ersetzt werden, welche weniger Energie beim Ein- und Ausschalten brauchen würden als konventionelle Transistoren.

Die Versuche zeigten eine fast perfekte reibungsfreie Bewegung. Es können fünf bis 50 Nanometer breite Graphen-Bänder mit geringsten Kräften (zwei bis 200 Piconewton) bewegt werden.

Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Computersimulation ist gross. Einzig bei grösseren Abständen zwischen der Messspitze und der Goldoberfläche (ab fünf Nanometern), ergibt sich eine Diskrepanz zwischen Modell und Realität. Wahrscheinlich hängt dies damit zusammen, dass die Ränder der Graphen-Nanobänder mit Wasserstoff gesättigt sind, was in den Simulationen nicht berücksichtigt wurde.

«Unsere Resultate helfen dabei, die Manipulation chemischer Stoffe auf Nano-Ebene besser zu verstehen und ebnen den Weg für die Verwirklichung von reibungsfreien Beschichtungen», schreiben die Forscher.

Literatur
Shigeki Kawai, Andrea Benassi, Enrico Gnecco, Hajo Söde, Rémy Pawlak, Xinliang Feng, Klaus Müllen, Daniele Passerone, Carlo A. Pignedoli, Pascal Ruffieux, Roman Fasel and Ernst Meyer
Superlubricity of Graphene Nanoribbons on Gold Surfaces, Science (2016), doi: 10.1126/science.aad3569

Quelle
Universität Basel