Forscher stimmen die Reibung in Graphen dynamisch ab

Laut Forschern der University of Illinois Urbana-Champaign unter der Leitung von Professor Rosa Espinosa-Marzal vom Department of Civil and Environmental Engineering kann die Reibung auf einer Graphenoberfläche mithilfe externer elektrischer Felder dynamisch eingestellt werden. Die Arbeiten sind im Detail beschrieben Papier„Dynamische Abstimmung der Reibung an der Graphen-Grenzfläche mithilfe des Feldeffekts“, veröffentlicht am 19. September 2023 in der Zeitschrift Naturkommunikation.

Reibung spielt sowohl in natürlichen als auch in technischen Systemen eine Schlüsselrolle. Sie bestimmt unter anderem das Verhalten von Gleitkontakten, beeinflusst den Verschleiß von Materialien und beeinflusst den Fluss von Flüssigkeiten über Oberflächen. Durch die Auswahl von Designkomponenten, beispielsweise Material und Rauheit, kann die Reibung passiv gesteuert werden.

Ein neuerer Trend besteht jedoch darin, Systeme zu untersuchen, deren Reibungsreaktion in situ dynamisch abgestimmt werden kann, insbesondere da mikro- und nanoskalige Geräte immer häufiger vorkommen. Einer der vielversprechenderen Wege zur Reibungskontrolle sind externe elektrische Felder, die die Eigenschaften von Schmiermitteln und Materialoberflächen sowie die Wechselwirkungen zwischen ihnen modulieren können.

„Neuartige Ansätze zur Gestaltung interagierender Oberflächen sind notwendig, um über den Stand der Technik hinauszugehen“, schreiben die Forscher, „und 2D-Materialien sind aufgrund ihrer hohen mechanischen Festigkeit sowie chemischen und thermischen Stabilität eine neue und ausgezeichnete Wahl.“

Graphen ist die 2D-Form von Kohlenstoff und wird aufgrund seiner einzigartigen und überragenden Eigenschaften manchmal als „Wundermaterial“ gefeiert. Mit Graphenfilmen beschichtete Oberflächen weisen im Allgemeinen eine sehr geringe Reibung auf, aber die neuen Ergebnisse zeigen, dass die Reibung auf mit Graphen beschichteten Oberflächen „eingeschaltet“ werden kann, indem die Oberfläche unter den richtigen Bedingungen einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Das System kann dann in diesem Zustand höherer Reibung gesteuert werden, bevor es wieder auf niedrigere Reibung umgeschaltet wird, und das alles ohne große elektrische Vorspannungen zwischen den in Kontakt stehenden Oberflächen.

„Die Arbeit wird sich positiv auf die Reduzierung des Energieverbrauchs in nano- und mikroelektromechanischen Systemen auswirken und darüber hinaus eine dynamische Kontrolle der Reibung ermöglichen und gleichzeitig den erhöhten Verschleiß und die Korrosion von Gleitflächen bei Anwendung einer direkten Vorspannung abmildern“, sagte Espinosa-Marzal.