08.12.2022

Wenn sich Graphen an Platin reibt

Auf atomarer Ebene ist Reibung abhängig von der Geschwindigkeit.

Materialien, die aus einzelnen atomaren Schichten bestehen, sind aufgrund ihrer potenziell geringen Reibung interessant für Anwendungen, bei denen Reibung reduziert werden soll. Das gilt beispiels­weise bei Festplatten oder beweglichen Bauteilen für Satelliten oder Weltraum­teleskope. So wird auch Graphen, das aus einer einzigen Schicht von wabenartig angeordneten Kohlenstoffatomen besteht, als mögliche Schmier­schicht untersucht. Frühere Studien haben beispiels­weise gezeigt, dass sich ein Graphenband fast reibungsfrei über eine Gold­oberfläche bewegen lässt. 

Abb.: Die Reibung zwischen der Spitze eines Rasterkraft­mikroskops und den...
Abb.: Die Reibung zwischen der Spitze eines Rasterkraft­mikroskops und den Moiré-Über­strukturen ist abhängig von der Geschwin­digkeit, mit der die Spitze über die Oberfläche geführt wird. (Bild: Dept. Physik, U. Basel / Scixel)

Wird Graphen auf einer Platinoberfläche aufgebracht, hat dies einen entscheidenden Effekt auf die messbaren Reibungs­kräfte. Physikerinnen und Physiker der Universität Basel und der Tel Aviv University berichten nun, dass die Reibung in diesem Fall von der Geschwin­digkeit abhängt, mit der die Spitze eines Rasterkraft­mikroskops über die Oberfläche geführt wird. Ein über­raschendes Ergebnis, da nach dem in der Makrowelt geltenden Coulomb-Gesetz Reibung nicht von der Geschwin­digkeit abhängt.

Zusammen mit dem Platinsubstrat bildet Graphen nicht mehr nur das sechseckige Wabenmuster aus Kohlenstoff­atomen, sondern es entstehen Moiré-Strukturen. Dies führt dazu, dass die Oberfläche nicht mehr vollkommen plan ist, sondern eine gewisse Rauigkeit aufweist. „Wenn wir die AFM-Spitze mit einer geringen Geschwin­digkeit über diese leicht gewellte Oberfläche bewegen, messen wir eine geringe, fast konstante Reibungs­kraft“, sagt Ernst Meyer vom Swiss Nanoscience Institute und Departement Physik der Universität Basel. „Ab einem bestimmten Schwellenwert nimmt dann aber die Reibung mit steigender Geschwindigkeit der Rasterkraft­mikroskop-Spitze zu“, ergänzt Yiming Song. „Je größer die Moiré-Überstruktur ist, desto geringer ist dieser Schwellenwert, ab dem die Reibung geschwindig­keitsabhängig wird.“

Wie die Forschenden feststellten, kommt es bei der Bewegung der Spitze an den Rändern der Moiré-Superstrukturen zu einem vergrößerten Widerstand. Die Ränder der Über­strukturen verformen sich elastisch durch die schiebende Spitze und entspannen sich dann bei genügend hohem Druck wieder. Dieser Effekt führt zu den erhöhten Reibungs­kräften, die umso größer werden, je schneller sich die Spitze bewegt. Simulationen und ein analytisches Modell bestätigen die experi­mentellen Ergebnisse des internationalen Forschungsteams.

U. Basel / JOL

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