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Graphen gleitet fast reibungslos über Gold

SupraschmierfähigkeitGraphen gleitet fast reibungslos über Gold

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.

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Graphen-Nanoband

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.

Ursachen des Schmierverhaltens ergründen
Mit einem doppelten Ansatz – experimentell und rechnerisch – hat eine internationale Gruppe von Physikern der Universität Basel und der Empa 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.

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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 5 bis 50 nm lange Graphen-Bänder mit geringsten Kräften (2 bis 200 pN) bewegt werden.

Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Computersimulation ist groß. Einzig bei größeren Abständen zwischen der Messspitze und der Goldoberfläche (ab 5 nm), 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.

Originalbeitrag:
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

Weitere Auskünfte:
Prof. Ernst Meyer
Universität Basel, Departement Physik
E-Mail: ernst.meyer@unibas.ch

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