Einschichtiges Graphen, über das eine Siliziumspitze gleitet. Die Farben zeigen die unterschiedlichen Werte der Reibungskraft in der Kontaktfläche an.
Suzhi Li / KIT
Um die Reibung bei metallischen Gleitelementen und hohen Kontaktdrücken zu vermindern, werden als Festschmierstoffe häufig Stoffe mit lamellarer Struktur eingesetzt, deren Partikel leicht aufeinander gleiten. Einer der gängigsten Festschmierstoffe ist Graphit, eine natürliche Erscheinungsform des Kohlenstoffs mit dreidimensionaler, geschichteter Struktur. "Es besteht aus einzelnen, sogenannten Graphenschichten, in denen die Kohlenstoffatome eine hexagonale Bienenwabenstruktur ausbilden", erklärt Springer-Autor Frank Hoffmann in "Faszination Kristalle und Symmetrie" auf Seite 253: "Innerhalb dieser Schichten bilden die Kohlenstoffatome jeweils drei chemische Bindungen zu anderen Atomen in Form eines regulären Dreiecks aus. Diese Graphenschichten, die in der (a,b)-Ebene liegen, sind senkrecht dazu, entlang der kristallographischen c-Richtung, gestapelt, und zwar mit einem Schichtabstand von 335 pm. Dabei liegen die einzelnen Schichten jedoch nicht exakt übereinander, sondern sind gegeneinander in der (a,b)-Ebene verschoben; sie bilden eine sog. AB-Stapelsequenz, d. h., jede zweite Schicht ist identisch, oder anders ausgedrückt, dass die dritte Schicht exakt über der ersten, die vierte exakt über der zweiten liegt usw."
Graphen kommt in der Natur als isoliertes einschichtiges Material nicht vor, lässt sich aber über verschiedene Verfahren herstellen. Jetzt haben Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zusammen mit Forschern am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) sowie in China und den USA anhand von Simulationen die Reibungseigenschaften des zweidimensionalen Kohlenstoffs Graphen untersucht und berichten über ihre Ergebnisse im Wissenschaftsmagazin Nature. Experimente hatten gezeigt, dass bei Kontakt mit einschichtigem Graphen eine stärkere Reibung auftritt als bei mehrschichtigem Graphen oder bei Graphit und dass die Reibungskraft bei fortwährendem Gleiten steigt. Die Gründe dafür waren bisher nicht geklärt.
Kontaktfläche und Kontaktqualität
Bei ihren Simulationen ließen die Wissenschaftler eine Siliziumspitze über Graphen gleiten, das auf einem amorphen, das heißt nicht kristallinen Siliziumsubstrat aufgebracht war. Bisherige Arbeiten hatten angenommen, dass die Reibung zwischen Grenzflächen von der echten Kontaktfläche abhängt – der Zahl der Atome in dem Bereich, in dem interatomare Kräfte wirken –, und hatten die stärkere Reibung bei einschichtigem Graphen auf die größere echte Kontaktfläche zurückgeführt. Wie die Forscher nun feststellten, spielt nicht nur die echte Kontaktfläche eine Rolle, sondern auch die sich entwickelnde Kontaktqualität: Das dünnere und weniger fest gefügte einschichtige Graphen tendiert aufgrund seiner größeren Flexibilität dazu, seine Konfiguration immer neu einzustellen. So haften die Kohlenstoffatome stärker an den Atomen der Siliziumspitze und zeigen eine größere Synchronizität in ihrem Haft-Gleit-Verhalten. Die Kontakte auf der atomaren Skala nehmen quantitativ – was die Fläche betrifft – und qualitativ – was die Reibungskraft betrifft – zu. "Mit unserem Konzept der sich entwickelnden Kontaktqualität lässt sich erklären, warum sich die Reibung bei Grenzflächen mit lockerer Struktur über die Zeit verändert", erklärt Suzhi Li vom IAM – Computational Materials Science des KIT.