Graphen bewegt sich reibungslos auf Gold

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 veränderten Kohlenstoffs in Form von Graphen, der sogenannten Supraschmierfähigkeit. 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 Gruppe von Physikern der Universität Basel und der Empa die überdurchschnittliche Schmierfähigkeit von Graphen untersucht. Dazu fixierten sie zweidimensionale Streifen aus Kohlenstoffatomen, sogenannte Graphen-Nanobänder, an der Spitze eines Rasterkraftmikroskops und zogen sie über eine Goldoberfläche. Mit computergestützten Berechnungen wurden die Wechselwirkungen zwischen den sich gegeneinander bewegenden Oberflächen untersucht. Damit will das Team um Prof. Ernst Meyer der Universität Basel die bisher wenig erforschten Ursachen des Supraschmierverhaltens ergründen.

Von der Untersuchung der Graphen-Bänder erhoffen sich die Forscher 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 Ein- und Ausschalten brauchen würden als konventionelle Transistoren.

Die Versuche zeigten eine fast perfekte reibungsfreie Bewegung. Es können fünf bis 50 Nanometer lange Graphen-Bänder mit geringsten Kräften (zwei bis 200 Piconewton) bewegt werden.

Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Computersimulation ist gross. 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.