Biegsames Graphen erhöht Reibung

Graphen, die zwei­dimensionale Form des Kohlenstoffs, hat bemerkenswerte elektrische und mechanische Eigen­schaften, die sich praktisch nutzen lassen. Doch auch sein experimentell untersuchtes Reibungs­verhalten ist ungewöhnlich und wirft Fragen auf. Mit atomaren Simulationen haben Forscher aus den USA, China und Deutschland untersucht, welche molekularen Vorgänge dahinter stecken.

Das aus zahllosen Graphen­lagen bestehende Graphit ist ein bewährtes Schmier­mittel, mit dem man die Reibungs­kraft zwischen aufeinander gleitenden Oberflächen erheblich vermindern kann. Verringert man jedoch die Zahl der Graphen­lagen auf einige wenige und schließlich sogar auf eine einzelne, so erhöht sich die Reibung immer mehr. Das hatten Experimente gezeigt, bei denen die Spitze eines Rasterkraft­mikroskops über eine Graphen­schicht gezogen wurde, die auf einer glatten Unterlage haftete.

Dabei hatte man beobachtet, dass die auf die Spitze wirkende Reibungs­kraft immer wieder ruckartig zu- und abnahm. Dieses Stick-Slip-Verhalten beruhte darauf, dass die Spitze bei ihrer langsamen Bewegung über die periodisch strukturierte Oberfläche von einem Minimum der poten­tiellen Energie ins nächste sprang, sobald die auf sie wirkende Zugkraft groß genug geworden war. Dabei wurde Bewegungs­energie irreversibel in Reibungswärme umgewandelt.

Mittelte man das zeitliche Verhalten der Reibungskraft über diese Stick-Slip-Oszillationen, so konnte man beobachten, dass die Kraft zunächst zunahm, um nach einigen Nanometern Wegstrecke auf einen konstanten Wert einzuschwenken. Offenbar benötigten die Spitze und die Graphenschicht eine gewisse Zeit, bevor sie sich auf einander eingestellt hatten und sich dann besonders stark anzogen.

Die dahinter stehenden molekularen Vorgänge haben jetzt Forscher um Robert Carpick von der University of Pennsyl­vania und Ju Li vom MIT mit aufwendigen atomaren Simulationen untersucht. Sie simulierten, wie eine kristalline Siliziumspitze (Krümmungs­radius 16,3 nm) mit einer Kraft von 0,8 nN auf eine Unterlage gedrückt und mit 2 m/s über sie gezogen wurde. Die Unterlage bestand aus amorphem Silizium, das von einer Graphen­monolage oder zwei bis vier perfekt orientierte Graphen­lagen bedeckt war.

Sobald die Spitze die Graphenlage berührte, änderte sich deren Topographie. Die Adhäsion zwischen Spitze und Graphen führte zu einer Kräuselung der obersten Graphenlage in einem Bereich, der die Spitze ringförmig umgab. Wurde die Spitze bewegt, so zeigte die Reibungskraft das typische Stick-Slip-Verhalten. Außerdem nahm die Kraft im zeitlichen Mittel zunächst zu, ehe sie nach etwa 1,5 nm konstant blieb. Dabei fiel die Zunahme umso geringer aus, je mehr Graphenlagen das Silizium­substrat bedeckten.

Ein Vergleich mit früheren Experi­menten zeigte, dass die Simulationen verlässliche Resultate lieferten. Doch darüber hinaus gestatteten sie Einblicke in die molekularen Vorgänge, die sich zwischen Spitze und Graphen­schicht abspielten. Dazu analysierten die Forscher die Kräfte, die zwischen den einzelnen Atomen und der Spitze zu den Zeitpunkten wirkten, wenn die Spitze in einem Stick-Slip-Zyklus die maximale Reibungskraft verspürte. Wie sich zeigte, stellte sich erst nach drei Zyklen eine weitgehend unver­änderliche Kraft­verteilung ein.

Die auftre­tende Reibungs­kraft wurde so groß, weil sehr viele C-Atome der Graphen­schicht mit den Si-Atomen der Spitze in Kontakt waren und außerdem besonders starke Anziehungs­kräfte zwischen den C- und Si-Atomen herrschten. Möglich wurde dies durch die Flexibilität der obersten Graphenlage, die sich auf die Spitze so einstellte, dass die atomaren Anziehungs­kräfte maximiert wurden. Doch je mehr Lagen die Graphen­schicht enthielt, desto stärker war die Beweglichkeit der obersten Lage einge­schränkt, da sie von den tieferen Lagen stark angezogen wurde. Deshalb trat für zunehmend dickere Graphen­schichten eine immer geringere Reibungs­kraft auf, und auch das „Einstell­verhalten“ der Reibung war immer schwächer ausgeprägt.

Eine Monolage Graphen sollte demnach die stärkste Reibung aufweisen. Dies gilt jedoch nur, wenn die Anziehungs­kraft zwischen der Unterlage und dem Graphen nicht so stark ist, dass sie der Monolage keine Beweg­lichkeit mehr lässt. Die Reibung einer Monolage könnte man auch dadurch verändern, dass man sie vorab durch seitliches Zusammen­schieben zerknittert, wie entsprechende Simu­lationen gezeigt haben. Demnach war der Kontakt zwischen der Spitze und der Monolage umso stärker, je stärker diese zerknittert war, was zu einer höheren Reibungs­kraft führte. Hier eröffnen sich neue Möglich­keiten, Reibungs­kräfte zu kontrol­lieren.

Rainer Scharf

JOL