Graphen gleitet 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. Da es beinahe keine Reibung verursacht, könnte es als Beschichtung den Energie­verlust von Maschinen drastisch reduzieren.

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 Ernst Meyer von der Universität Basel 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 von zwei bis 200 Piconewton bewegt werden.

Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Computer­simulation ist gut. Einzig bei größeren Abständen zwischen der Messspitze und der Gold­oberfläche – etwa 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“, so die Forscher.

U. Basel / DE