Onder leiding van Dr. Elton Santos van de School of Mathematics and Physics van de universiteit, een internationaal team van onderzoekers heeft supersmering gevonden in een paar lagen grafeen - een concept waarbij wrijving verdwijnt of bijna verdwijnt. De experts ontdekten ook dat een paar lagen hexagonaal boornitride (h-BN) zo sterk zijn als diamant, maar flexibeler, goedkoper en lichter.

De bevindingen, die zijn gemeld in Natuurcommunicatie , onthullen dat de h-BN-lagen de sterkste dunne isolator vormen die wereldwijd beschikbaar is en dat de unieke eigenschappen van het materiaal kunnen worden gebruikt om flexibele en bijna onbreekbare slimme apparaten te maken, evenals krasvaste lak voor auto's.

Dr. Santos legt uit:"We zijn allemaal op een bepaald moment in het leven op een gladde ondergrond gestapt waar we ons evenwicht moeten bewaren zodat we niet vallen. In de meeste gevallen, vloeistof zoals water of olie is de oorzaak en deze gladde toestand is wat we omschrijven als supersmering - er is in principe geen wrijving op een oppervlak.

"In grafeen, deze toestand van supersmering komt van atomaire orbitalen die koolstofatomen vormen. Normaal gesproken, om wrijving te genereren, moeten sommige orbitalen elkaar overlappen en opwarmen, of wat energie, moet worden losgelaten. Verrassend genoeg, ons onderzoek toont aan dat grafeen dit proces niet nodig heeft, het glijdt gewoon spontaan over andere lagen, maar geeft geen warmte af. Dit betekent dat grafeen, die 300 keer sterker is dan staal, wordt mechanisch zwakker en kan gemakkelijk breken."

De onderzoeksresultaten rond de h-BN-lagen tonen aan dat de mechanische eigenschappen ervan vergelijkbaar zijn met die van diamant, maar veel goedkoper zijn, flexibeler en lichter. Het kan gemakkelijk worden geïntegreerd in kleine elektronische circuits of om structuren te versterken, omdat het robuuster is tegen schokken of mechanische belasting.

Dr. Santos merkte op:"Het was een voorrecht om met wereldwijde onderzoekers samen te werken om meerlagig grafeen en h-BN op een ongekende manier te voorspellen en te meten. Het is op dit moment bijna onmogelijk om grote doorbraken in de wetenschap te maken zonder samen te werken. Aan de Queen's University we hebben onze kennis van deze gelaagde materialen vergroot en enkele belangrijke ontdekkingen gedaan, die zouden kunnen helpen bij het aanpakken van veel mondiale uitdagingen in onze samenleving.

"Onze belangrijkste bevinding is dat dubbellaags grafeen een super-lubricity-toestand ontwikkelt waarbij geen verwarming wordt gegenereerd als de lagen op elkaar schuiven. Slechts een paar materialen hebben deze kenmerken en het lijkt erop dat grafeen zich bij deze exclusieve club heeft aangesloten. Tijdens dit proces , we ontdekten ook dat h-BN, een veelgebruikt smeermiddel dat wordt gebruikt in verschillende automobiel- en industriële toepassingen, ontwikkelde een mechanische sterkte in een paar lagen. Deze zijn zo sterk als diamant, gemeten in termen van een hoeveelheid die Young modulus wordt genoemd. Dit is echt een baanbrekende bevinding, aangezien zelfs een isolator met dunne lagen zijn Young-modulus niet op zulke hoge magnitudes kon houden.

"Er zijn verschillende mogelijkheden om onze ontdekkingen toe te passen die een positieve impact kunnen hebben in de echte wereld. We kijken naar een tijdlijn van ongeveer vijf tot tien jaar om de ontdekkingen om te zetten in echte producten, maar we zouden voordelen kunnen zien zoals materiaalversterking voor mengsel in oplossingen zoals inkt voor verf, dat zou nog meer weerstand bieden tegen corrosie en in de toekomst mogelijk krasbestendige auto's kunnen betekenen.

"Dit rekbare materiaal kan ook worden gebruikt in elektronische apparaten en motormotoren om de wrijving zeer laag te maken, omdat er geen warmte vrijkomt."

Dr. Santos voegde toe:"In elektronica, verschillende bedrijven integreren momenteel h-BN in prototypes samen met grafeen voor het maken van slimme apparaten zoals iPads en Androids met unieke functies. Deze bedrijven gebruiken ook h-BN met polymeren om extra sterkte te geven voor nieuwe mechanische toepassingen zoals ruimtevaart, sport en civiele techniek.

"We zijn momenteel op zoek naar andere combinaties van 2D-kristallen die voor vergelijkbare toepassingen kunnen worden gebruikt. grafeen lijkt de beste kandidaat, maar er valt nog veel te ontdekken in de bibliotheek van gelaagde materialen. De toekomst is rooskleurig voor 2D-materialen vanwege de ontwikkeling, vooruitgang en onderzoek dat momenteel wereldwijd wordt uitgevoerd."