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Ein Graphen-Molekül

Graphen gleitet nahezu reibungslos

Graphen ist eine besondere Form des Kohlenstoffs und wird oft als "Wundermaterial" bezeichnet. Ein internationales Physiker-Team hat nun eine seiner bemerkenswerten Eigenschaften ergründet: seine extreme Gleitfähigkeit. Auf einer Goldoberfläche gleiten Graphenstreifen nahezu reibungslos.

Materialwissenschaft 26.02.2016

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.

Wechselwirkungen

Die Studie in "Science":

"Superlubricity of graphene nanoribbons on gold surfaces" von Shigeki Kawai et al., erschienen am 26. Februar 2016.

Die Forscher kombinierten einen experimentellen und einen theoretischen Ansatz. Zunächst maßen sie die Wechselwirkung zwischen Graphen und Gold bei der Bewegung der beiden Oberflächen gegeneinander. 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", erklärt Studienleiter Ernst Meyer von der Universität Basel. Unabhängig von der Länge glitten die Oberflächen nahezu reibungsfrei übereinander.

"Man kann sich 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."

Hüpfen um Atomlängen

Parallel modellierten sie die Wechselwirkung am Computer, um sie besser zu verstehen. Da sowohl die Graphen- als auch die Goldoberfläche genau bekannt sind, konnten die Forscher - darunter Wissenschaftler der Materialprüfanstalt Empa - die Kräfte zwischen einzelnen Atomen genau simulieren.

Ihre Simulation kam den tatsächlich beobachteten Kräften dabei sehr nahe. "Man kann tatsächlich das Hüpfen Atomlänge um Atomlänge nachvollziehen", sagte Meyer. Die Unterschiede, welche die Forschenden dennoch feststellten, konnten sie mit der Beschaffenheit der Ränder der Graphenstreifen erklären. Diese hatten sie in der Simulation nicht exakt nachgebildet.

Das bessere Verständnis der Superschmierfähigkeit von Graphen helfe bei der Entwicklung von Schmiermitteln und mikromechanischen Schaltern, sagte der Physiker weiter. "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."

science.ORF.at/APA/sda

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