Supraschmierfähigkeit von Graphen auf Goldoberflächen

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

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Der modifizierte Kohlenstoff Graphen hat ein vielfältiges Potenzial als Beschichtung in Maschinenbauelementen und im Bereich von elektronischen Schaltern. Da es beinahe keine Reibung verursacht, könnte es als Beschichtung den Energieverlust von Maschinen drastisch reduzieren, berichten die Forscher im Magazin Science [vgl. Literatur-Hinweis unten].

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 so genannten 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 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 sowie die beteiligten Forscherinnen und Forscher der Empa die bisher wenig erforschten Ursachen des Supraschmierverhaltens 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 lange 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.

Graphen gleitet fast reibungslos über Gold

cfaed-Wissenschaftler Xinliang Feng ist Koautor einer Publikation im Wissenschaftsjournal Science.

Graphen, eine besondere Form von Kohlenstoff, bietet vielfältige Potenziale für die Nutzung als Beschichtung von Maschinenteilen und im Bereich der elektronischen Schaltungen. Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Physikern der Universität Basel, in das auch Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden (Dr. Andrea Benassi und Prof. Xinliang Feng) eingebunden sind, hat die Gleitfähigkeit dieses Materials im Nanometerbereich untersucht. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift Science berichten, trägt das Material in seiner Funktion als Beschichtung zu einer drastischen Verringerung des Energieverlustes innerhalb von Maschinen bei, da es fast keine Reibung hervorruft.

Zukünftig könnte Graphen als extrem dünne Beschichtung eingesetzt werden, wodurch der Energieverlust zwischen mechanischen Teilen auf nahezu Null gesenkt werden könnte. Dieser Effekt beruht auf der außergewöhnlich hohen Gleitfähigkeit - die Wissenschaftler sprechen von "Superschmierfähigkeit", englisch "superlubricity" -der Kohlenstoffmodifikation Graphen. Die Nutzung dieser Eigenschaft für mechanische und elektromechanische Anlagen würde nicht nur deren Energieeffizienz verbessern, sondern auch die Lebensdauer der Geräte erheblich verlängern.

Die Ursachen der extremen Gleitfähigkeit ergründen

Die internationale Physikergruppe untersuchte die überdurchschnittliche Gleitfähigkeit des Graphens mittels eines zweigleisigen Ansatzes - einer Kombination von Experimenten und Berechnungen. Hierfür verankerten sie Streifen aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen - sogenannte Graphen-Nanobänder - an der scharfen Spitze eines Rasterkraftmikroskops und zogen sie über eine Goldoberfläche. Durch computerbasierte Berechnungen wurden die Wechselwirkungen zwischen den Oberflächen während dieser Bewegung untersucht. Mit diesem Ansatz hofft das Forscherteam, die Ursachen der Supra-Gleitfähigkeit zu verstehen, denn bislang gab es nur wenig Forschung auf diesem Gebiet.

Von der Untersuchung der Graphen-Nanobänder versprechen sich die Forscher aber noch deutlich mehr, als nur das Gleitverhalten zu ergründen. Die Messung der mechanischen Eigenschaften des kohlenstoffbasierten Materials ist auch sinnvoll, weil es für eine ganze Reihe von Anwendungen im Bereich der Beschichtungen und mikromechanischen Schaltern exzellente Potenziale bietet. In Zukunft könnten auch elektronische Schalter durch nano-mechanische Schalter ersetzt werden, welche weniger Energie zum Ein- und Ausschalten verbrauchen würden als herkömmliche Transistoren.

Die Experimente zeigten eine fast perfekte, reibungsfreie Bewegung. Es ist möglich, die Graphen-Nanobänder mit einer Länge zwischen 5 und 50 Nanometern mittels extrem geringer Kräfte (2 bis 200 Pikonewton; 1 Pikonetwon entspricht einem billionstel Newton, 10-12 N) zu bewegen. Es wurde eine hochgradige Übereinstimmung zwischen den experimentellen Beobachtungen und der Computersimulation festgestellt.

Eine Diskrepanz zwischen dem berechneten Modell und der Wirklichkeit tritt nur bei größeren Abständen von fünf oder mehr Nanometern zwischen Messspitze und Goldoberfläche auf. Dies erklärt sich vermutlich dadurch, dass die Ränder der Graphen-Nanobänder mit Wasserstoff gesättigt sind, was innerhalb der Simulationen nicht berücksichtigt wurde.

"Unsere Ergebnisse helfen uns, die Veränderung von Chemikalien auf der Nanoebene besser zu verstehen und den Weg zur Herstellung reibungsfreier Beschichtungen zu ebnen", schreiben die Forscher.

Shigeki Kawai, Andrea Benassi, Enrico Gnecco, Hajo Söde, Rémy Pawlak, Xinliang Feng, Klaus Müllen, Daniele Passerone, Carlo A. Pignedoli, Pascal Ruffieux, Roman Fasel, Ernst Meyer:
Superlubricity of graphene nanoribbons on gold surfaces.
In: Science; online erschienen am 26. Februar 2016, DOI 10.1126/science.aad3569

Quelle: Universität Basel, Schweiz

Aktualisiert am 26.02.2016.

Permalink: https://www.internetchemie.info/news/2016/feb16/supraschmierfaehigkeit-von-graphen.php