Warum schmiert Graphit so gut?

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Graphit ist ein hervorragendes Schmiermittel – doch nicht von selbst. Das haben jetzt Untersuchungen mit Röntgenstrahlen ergeben.

Es steckt in jeder Bleistiftmine und ist doch ein rätselhaftes Material: Graphit. Diese unter Normalbedingungen stabile Form des Kohlenstoffs hat den höchsten Schmelzpunkt aller chemischen Elemente (4200 K) und – gemeinsam mit Diamant – die höchste thermische Leitfähigkeit. Außerdem hat Graphit die starrste Kristallstruktur, allerdings nur längs bestimmter Ebenen. Er besteht nämlich aus übereinander gestapelten Schichten, in denen die Kohlenstoffatome in einem äußerst stabilen Bienenwabenmuster angeordnete sind. Zwischen diesen Schichten wirken nur relativ schwache Kräfte aufgrund von π -Bindungen.

Sir William Henry Bragg, der 1928 durch Röntgenbeugung die geschichtete Kristallstruktur des Graphits aufgeklärt hatte, machte diese Struktur für die Glätte des Graphits verantwortlich. Demnach ist Graphit so glatt, weil sich die aufeinander liegenden Kohlenstoffschichten leicht gegeneinander verschieben lassen. Das klingt zwar plausibel, ist aber falsch, wie sich in den späten 30er Jahren zeigte, als in sehr hoch fliegenden Flugzeugen technische Probleme mit Elektromotoren auftraten. Die Graphitbürsten der Motoren nutzten in großer Höhe tausendmal schneller ab als unter normalen Bedingungen. Die trockene Höhenluft hatte dem Graphit Feuchtigkeit entzogen und dadurch seine Glätte erheblich verringert.

Man vermutete deshalb, dass sich das Wasser zwischen die Kohlenstoffschichten setzte und wie ein Schmiermittel wirkte. Wegen des eindringenden Wassers müsste sich aber der Abstand zwischen den Kohlenstoffschichten vergrößern. Doch 1968 zeigten Röntgenbeugungsexperimente mit ausgetrocknetem und mit normalem Graphit, dass sich der Schichtabstand nicht verändert hatte. Möglicherweise drang das Wasser ja nicht in den ganzen Graphitkristall ein sondern nur zwischen die obersten Schichten und machte sie dadurch gleitfähig. Dies hätte nur eine geringfügige Änderung der Kristallstruktur zufolge, die sich mit den damaligen Messmethoden nicht beobachten ließ. Jetzt haben Forscher vom IBM Almaden Research Center und vom Stanford Linear Accelerator genauere Messungen durchgeführt und auch diese Hypothese widerlegt.

Von der Seite betrachtet sieht eine Graphitoberfläche so aus: (a) Idealstruktur, (b) mit physikalisch gebundener Wasserschicht an der Oberfläche, (c) mit chemisch gebundener Wasserschicht an der Oberfläche und (d) mit einer Wasserschicht zwischen zwei Kohlenstoffschichten.

Bing K. Yen und seine Kollegen benutzten für ihre Experimente drei synthetische Einkristalle aus Graphit, die so groß waren wie Konfettiplättchen. Der erste Kristall wurde im Hochvakuum getrocknet, der Zweite bei 50 % Luftfeuchtigkeit gelagert und der Dritte bei fast 100 %. Die Struktur der obersten Atomschichten der Graphitplättchen wurde durch Röntgenbeugung bestimmt. Da der Röntgenstrahl wegen seiner Energie von 7 keV nicht zu tief in das Graphit eindringen konnte, erhielten die Forscher ein detailliertes Bild von der Struktur der obersten Kohlenstoffschichten. Es zeigte sich, dass sich die drei untersuchten Kristalle kaum voneinander unterschieden. Sie hatten alle dieselben Schichtabstände. Nur die jeweils oberste Schicht war geringfügig abgehoben.

Aus ihren Messungen schließen die Forscher, dass nur sehr wenig Wasser zwischen die obersten Kohlenstoffschichten eines Graphitkristalls eindringen kann, und zwar höchstens 5 % einer Monolage. Diese geringe Wassermenge zwischen den Kohlenstoffschichten kann nicht dafür verantwortlich sein, dass Graphit ein gutes Schmiermittel ist. Die Messungen haben aber auch ergeben, dass sich ein dünner Wasserfilm auf die Oberfläche des Graphitkristalls legt. Dieser Film schirmt die aus der Oberfläche heraushängenden „klebrigen“ π-Bindungen des Graphits ab. Möglicherweise ist das der Grund dafür, warum Graphit so gut schmiert.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Bing K. Yen et al., Origin of low-friction behavior in graphite investigated by surface x-ray diffraction, Appl. Phys. Lett. 84, 4702 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1063/1.1760597
  http://www.slac.stanford.edu/pubs/slacpubs/10000/slac-pub-10429.html  
• Kontakt:
  Bing K. Yen, E-Mail: bing.yen@hgst.com  
• The Graphite Page von John A. Jaszczak:
  http://www.phy.mtu.edu/~jaszczak/graphite.html  
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Graphit finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Materialwissenschaften.