Unerwartete geschwindigkeitsabhängige Reibung in Graphen

Materialien, die aus einzelnen Atomlagen bestehen, sind aufgrund ihrer reibungsarmen Eigenschaften von großem Interesse für Anwendungen, bei denen es darum geht, die Reibung zu verringern – etwa bei Festplatten oder beweglichen Komponenten für Satelliten oder Weltraumteleskope.

Ein solches Beispiel ist Graphen, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen in einer wabenartigen Anordnung besteht und auf eine mögliche Verwendung als Schmierschicht untersucht wird. Tatsächlich haben frühere Studien gezeigt, dass ein Graphenband fast ohne Reibung über eine Goldoberfläche bewegt werden kann.

Überraschende Ergebnisse mit rauer Oberfläche

Wird Graphen auf eine Platinoberfläche aufgetragen, hat dies einen erheblichen Einfluss auf die messbaren Reibungskräfte. Nun haben Physiker der Universität Basel und der Universität Tel Aviv in der Zeitschrift berichtetNano-Buchstabendass hier die Reibung von der Geschwindigkeit abhängt, mit der die Spitze eines Rasterkraftmikroskops über die Oberfläche bewegt wird.

Dieser Befund ist überraschend, da die Reibung nach dem Coulombschen Gesetz, das in der Makrowelt gilt, nicht von der Geschwindigkeit abhängt.

In Verbindung mit dem Platinsubstrat bildet Graphen nicht mehr nur das hexagonale Wabenmuster aus Kohlenstoffatomen, sondern bildet Überstrukturen, sogenannte Moiré-Übergitter. Die Oberfläche ist dann nicht mehr ganz eben und weist eine gewisse Rauhigkeit auf.

„Bewegen wir die AFM-Spitze mit geringer Geschwindigkeit über diese leicht geriffelte Oberfläche, messen wir eine schwache und nahezu konstante Reibungskraft“, erklärt Professor Ernst Meyer vom Swiss Nanoscience Institute und dem Departement Physik der Universität Basel.

„Ab einer bestimmten Schwelle nimmt die Reibung dann aber mit der Geschwindigkeit der AFM-Spitze zu“, ergänzt Erstautor Dr. Yiming Song. „Je größer der Moiré-Überbau, desto niedriger ist die Schwelle, ab der die Reibung geschwindigkeitsabhängig wird.“

Die Forscher fanden heraus, dass an den Graten der Moiré-Überstrukturen bei der Bewegung der Spitze ein größerer Widerstand vorhanden ist. Diese Rippen werden durch die Druckspitze elastisch verformt, bevor sie sich bei ausreichend hohem Druck wieder entspannen. Dieser Effekt führt zu größeren Reibungskräften, die mit der Geschwindigkeit der Spitze zunehmen. Simulationen und ein analytisches Modell bestätigen die experimentellen Erkenntnisse des internationalen Forscherteams.