Warum Graphen nahezu reibungslos auf Gold gleitet

26. Februar 2016, 10:29
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Forscher nahmen vielversprechende Eigenschaft des "Supermaterials" in den Blick

Basel – Graphen ist eine Modifikation des Kohlenstoffs, die im Fokus vieler Anwendungsforschungen steht. Ein internationales Forscherteam um Physiker der Universität Basel hat nun eine seiner bemerkenswerten Eigenschaften ergründet: die extreme Gleitfähigkeit auf anderen Materialien.

Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die wabenförmig angeordnet sind. Da es extrem gleitfähig ist, wäre es als Beschichtung oder Schmiermittel in Pulverform für den Maschinenbau interessant. Der Energieverlust durch Reibung und der Verschleiß von Bauteilen könnten dadurch extrem reduziert werden.

Die Wissenschafter stellten nun fest, dass Graphenstreifen auf einer Goldoberfläche nahezu reibungslos gleiten. Dazu kombinierten sie einen experimentellen und einen theoretischen Ansatz. Zunächst maßen sie die Wechselwirkung zwischen Graphen und Gold bei der Bewegung der beiden Oberflächen gegeneinander, wie sie im Fachjournal "Science" berichten.

Erstaunlich reibungslos

Dazu fixierten sie fünf bis 50 Nanometer lange und nur wenige Nanometer breite Graphenstreifen an der hauchfeinen Spitze eines Rasterkraftmikroskops und zogen sie über eine Goldoberfläche. Dabei maßen sie die bei der Bewegung der Oberflächen gegeneinander wirkenden Kräfte.

"Intuitiv würde man denken, dass die Reibung mit zunehmender Länge ansteigt. Erstaunlicherweise ist dem aber nicht so", erklärte Studienleiter Ernst Meyer von der Universität Basel. Unabhängig von der Länge glitten die Oberflächen nahezu reibungsfrei übereinander.

"Man kann Supergleitfähigkeit mit dem Bild von Eierkartons verdeutlichen, die man gegeneinander bewegt", sagte Meyer weiter. "Verkeilen sie sich, ist die Reibung extrem groß. Aber wenn man sie etwas dreht, haben sie nur noch wenige Berührungspunkte und eine viel geringere Reibung."

Interessante Anwendungen

Parallel modellierten die Forscher die Wechselwirkung am Computer, um sie besser zu nachvollziehen zu können. Da sowohl die Graphen- als auch die Goldoberfläche genau bekannt sind, konnten sie die Kräfte zwischen einzelnen Atomen genau simulieren.

Die Simulation kam den tatsächlich beobachteten Kräften sehr nahe. "Man kann tatsächlich das Hüpfen Atomlänge um Atomlänge nachvollziehen", sagte Meyer. Die Unterschiede, welche dennoch festgestellt wurden, lassen sich mit der Beschaffenheit der Ränder der Graphenstreifen erklären. Diese hatten sie in der Simulation nicht exakt nachgebildet.

Das bessere Verständnis der Supergleitfähigkeit von Graphen helfe bei der Entwicklung von Schmiermitteln und mikromechanischen Schaltern, sagte der Physiker. "Für die Elektronik wären reibungsfreie Schalter ein riesiger Fortschritt. Sie würden viel länger halten und könnten den Energieverbrauch von Transistoren und damit von Computern enorm senken." (APA, red, 26.2.2016)

  • Graphenstreifen auf Gold unter dem Rasterkraftmikroskop.
    grafik: uni basel

    Graphenstreifen auf Gold unter dem Rasterkraftmikroskop.

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