Graphen-Nanoband an der Spitze eines Rasterkraftmikroskops. Über eine Goldoberfläche gezogen, war die dabei beobachtete Reibungskraft äußerst gering.
Universität Basel, Department Physik
Der modifizierte Kohlenstoff Graphen könnte künftig als Beschichtungsmaterial den Energieverlust von Maschinen drastisch reduzieren, da dieses Material – hauchdünn auf Maschinenelemente aufgetragen – beinahe keine Reibung hervorruft.
Ein internationales Forscherteam um Physiker der Universität Basel hat die Gleitfähigkeit einer besonderen Form von Kohlenstoff, dem Graphen, im Nanometerbereich untersucht. Wie sie jetzt berichten, könnte Graphen als extrem dünne Beschichtung künftig den durch Reibung verursachten Energieverlust zwischen mechanischen Teilen auf nahezu null senken.
Dieser Effekt beruht auf der außergewöhnlich hohen Gleitfähigkeit – die Wissenschaftler sprechen von „Superschmierfähigkeit“, englisch „superlubricity“ – der Kohlenstoffmodifikation. Die Nutzung dieser Eigenschaft für mechanische und elektromechanische Anlagen könnte nach Ansicht der Forscher nicht nur deren Energieeffizienz verbessern, sondern auch die Lebensdauer der Geräte erheblich verlängern.
Die internationale Physikergruppe, darunter auch Wissenschaftler der TU Dresden, untersuchte die überdurchschnittliche Gleitfähigkeit des Graphens mit einer Kombination aus Experimenten und Berechnungen. Hierfür verankerten sie Streifen aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen – sogenannte Graphen-Nanobänder – an der scharfen Spitze eines Rasterkraftmikroskops und zogen sie über eine Goldoberfläche. Die Wechselwirkungen zwischen den Oberflächen während dieser Bewegung verfolgten sie mit Computerberechnungen.
Ursachen der extremen Gleitfähigkeit
Die Experimente zeigten eine fast reibungsfreie Bewegung. Es ist möglich, die Graphen-Nanobänder mit einer Breite zwischen 5 und 50 Nanometern mittels extrem geringer Kräfte (2 bis 200 Piconewton) zu bewegen. Die Wissenschaftler konnten eine hochgradige Übereinstimmung zwischen den experimentellen Beobachtungen und der Computersimulation feststellen. Eine Diskrepanz zwischen dem berechneten Modell und der Wirklichkeit tritt nur bei größeren Abständen von fünf oder mehr Nanometern zwischen Messspitze und Goldoberfläche auf. Dies erklären sich die Wissenschaftler damit, dass die Ränder der Graphen-Nanobänder mit Wasserstoff gesättigt sind, was innerhalb der Simulationen nicht berücksichtigt wurde. „Unsere Ergebnisse helfen uns, die Veränderung von Chemikalien auf der Nanoebene besser zu verstehen und den Weg zur Herstellung reibungsfreier Beschichtungen zu ebnen“, fassen die Forscher in der Fachzeitschrift Science zusammen.