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Graphen gleitet reibungslos auf Gold

Jenaer Physiker an internationalem Projekt beteiligt
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26.02.2016
Reibungs-Experte Prof. Dr. Enrico Gnecco war an den aktuellen Forschungen zu Graphen als Beschichtungsmaterial beteiligt. Foto: Anne Günther/FSU Reibungs-Experte Prof. Dr. Enrico Gnecco war an den aktuellen Forschungen zu Graphen als Beschichtungsmaterial beteiligt.
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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. 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 Ein- und 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: e


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