Grafen og diamanter viser en glat kombination

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory har fundet en måde at bruge bittesmå diamanter og grafen til at give friktionen slip, skabe en ny materialekombination, der demonstrerer det sjældne fænomen "superlubricitet".

Anført af nanovidenskabsmanden Ani Sumant fra Argonnes Center for Nanoscale Materials (CNM) og Argonne Distinguished Fellow Ali Erdemir fra Argonnes Energy Systems Division, Argonne-teamet på fem personer kombinerede diamantnanopartikler, små pletter af grafen – en todimensionel enkeltarksform af rent kulstof – og et diamantlignende kulstofmateriale for at skabe supersmøreevne, en meget ønskværdig ejendom, hvor friktion falder til nær nul.

Ifølge Erdemir, når grafenpletterne og diamantpartiklerne gnider op mod en stor diamantlignende kulstofoverflade, grafen ruller sig selv rundt om diamantpartiklen, skabe noget, der ligner et kugleleje på det nanoskopiske plan. "Samspillet mellem grafen og det diamantlignende kulstof er afgørende for at skabe 'superlubricity'-effekten, "sagde han." De to materialer afhænger af hinanden. "

På atomniveau, friktion opstår, når atomer i materialer, der glider mod hinanden, bliver "låst i tilstand, ", hvilket kræver ekstra energi at overkomme.  "Du kan tænke på det som at prøve at skubbe to æggekartoner mod hinanden fra bund til bund, " sagde Diana Berman, en postdoktor ved CNM og forfatter til undersøgelsen. "Der er tidspunkter, hvor placeringen af ​​hullerne mellem æggene - eller i vores tilfælde, atomerne – forårsager en sammenfiltring mellem materialerne, der forhindrer let glidning."

Ved at skabe de grafenindkapslede diamantkuglelejer, eller "ruller", teamet fandt en måde at oversætte nanoskala -superlubriciteten til et makroskala -fænomen. Fordi rullerne ændrer deres orientering under glidningsprocessen, nok diamantpartikler og grafenpletter forhindrer de to overflader i at blive låst i tilstand. Holdet brugte atomistiske beregninger i stor skala på Mira-supercomputeren ved Argonne Leadership Computing Facility for at bevise, at effekten ikke kun kunne ses på nanoskala, men også på makroskala.

"En rulle kan manipuleres og roteres meget lettere end et simpelt ark grafen eller grafit, " sagde Berman.

Imidlertid, holdet var forundret over, at mens supersmøreevnen blev opretholdt under tørre forhold, i et fugtigt miljø var dette ikke tilfældet. Fordi denne adfærd var kontraintuitiv, holdet vendte sig igen til atomistiske beregninger. "Vi observerede, at rulledannelsen blev hæmmet i nærvær af et vandlag, forårsager derfor højere friktion, " forklarede medforfatter Argonne computational nanoforsker Subramanian Sankaranarayanan.

Mens tribologiområdet længe har beskæftiget sig med måder at reducere friktion - og dermed energikravene fra forskellige mekaniske systemer - er supersmøring blevet behandlet som et hårdt forslag. "Alle ville drømme om at kunne opnå supersmøring i en bred vifte af mekaniske systemer, men det er et meget svært mål at nå, " sagde Sanket Deshmukh, en anden CNM-postdoc-forsker om undersøgelsen.

"Den viden, der er opnået fra denne undersøgelse, " tilføjede Sumant, "vil være afgørende for at finde måder at reducere friktion i alt fra motorer eller møller til computerharddiske og mikroelektromekaniske systemer."