Graphen gleitet reibungslos auf Gold Jenaer Physiker an

URL: http://www.uni-jena.de/Forschungsmeldungen/160226_Goldgraphen.pdf
Graphen gleitet reibungslos auf Gold
Jenaer Physiker an internationalem Projekt beteiligt
Foto: Anne Günther/FSU
Reibungs-Experte Prof. Dr. Enrico Gnecco war an den aktuellen Forschungen zu Graphen als
Beschichtungsmaterial beteiligt.
Der modifizierte Kohlenstoff Graphen hat ein vielfältiges Potenzial als Beschichtung in
Maschinenbauelementen und im Bereich von elektronischen Schaltern. Ein internationales
Forschungsteam, an dem Physiker der Universität Jena beteiligt waren, hat die Schmierfähigkeit
des Materials auf der Nanometer-Skala untersucht. Da es beinahe keine Reibung verursacht,
könnte es als Beschichtung den Energieverlust von Maschinen drastisch reduzieren, berichten die
Forschenden im Magazin "Science".
Graphen könnte künftig als extrem dünne Beschichtung verwendet werden, durch die der
Energieverlust zwischen mechanischen Teilen gegen Null geht. Dies beruht auf der enorm hohen
Schmierfähigkeit des Kohlenstoffs in Form von Graphen, der sogenannten Supraschmierfähigkeit.
Graphen gleitet reibungslos auf Gold
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Mit der Anwendung dieser Eigenschaft auf mechanische und elektromechanische Geräte ließe sich
nicht nur Energie sparen, sondern auch die Lebensdauer der Apparate erheblich verlängern.
Ursachen des Schmierverhaltens ergründen
Mit einem doppelten Ansatz - experimentell und rechnerisch - hat eine internationale Gemeinschaft
von Physikern die überdurchschnittliche Schmierfähigkeit von Graphen untersucht. Dazu fixierten
sie zweidimensionale Streifen aus Kohlenstoffatomen, sogenannte Graphen-Nanobänder, an einer
scharfen Spitze und zogen sie über eine Goldoberfläche. Mit computergestützten
Molekulardynamik-Rechnungen wurden die Wechselwirkungen zwischen den sich gegeneinander
bewegenden Oberflächen untersucht. Damit will das Forscherteam um Prof. Dr. Ernst Meyer von
der Uni Basel die bisher wenig erforschten Ursachen des Supraschmierverhaltens ergründen.
Von der Untersuchung der Graphen-Bänder erhoffen sich die Forschenden nicht nur Erkenntnisse
über das Gleitverhalten. Die Messung der mechanischen Eigenschaften des Kohlenstoffmaterials
macht zusätzlich Sinn, da es großes Potenzial für eine ganze Reihe an Anwendungen im Bereich
von Beschichtungen und mikromechanischen Schaltern hat. Selbst elektronische Schalter könnten
in Zukunft durch nanomechanische Schalter ersetzt werden, welche weniger Energie beim Einund Ausschalten brauchen würden als konventionelle Transistoren.
Die Versuche zeigten eine fast perfekte reibungsfreie Bewegung, freut sich Mit-Autor Prof. Dr.
Enrico Gnecco von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Es können Graphen-Bänder von 5 bis
50 nm mit geringsten Kräften (2-200 Piconewton) bewegt werden. Die Übereinstimmung zwischen
Experiment und Computersimulation ist gut. Einzig bei größeren Abständen zwischen der
Messspitze und der Goldoberfläche (ab fünf Nanometern), ergibt sich eine Diskrepanz zwischen
Modell und Realität. Wahrscheinlich hängt dies damit zusammen, dass die Ränder der
Graphen-Nanobänder mit Wasserstoff gesättigt sind, was in den Simulationen nicht berücksichtigt
wurde. "Unsere Resultate helfen dabei, die Manipulation chemischer Stoffe auf Nano-Ebene
besser zu verstehen und ebnen den Weg für die Verwirklichung von reibungsfreien
Beschichtungen", schreiben die Forscher.
Original-Publikation:
Shigeki Kawai, Andrea Benassi, Enrico Gnecco, Hajo Söde, Rémy Pawlak, Xinliang Feng, Klaus
Müllen, Daniele Passerone, Carlo A. Pignedoli, Pascal Ruffieux, Roman Fasel and Ernst Meyer;
Superlubricity of Graphene Nanoribbons on Gold Surfaces; Science (2016); doi:
10.1126/science.aad3569
Kontakt:
Prof. Dr. Enrico Gnecco
Otto-Schott-Institut für Materialforschung der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Löbdergraben 32, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947770
E-Mail: [email protected]
Jenaer Physiker an internationalem Projekt beteiligt
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