De belangstelling voor koolstof en het gebruik ervan in nieuwe technologieën is momenteel erg groot. Er wordt veel commercieel en academisch onderzoek en ontwikkeling gedaan om er systemen van nanometerformaat van te maken. In de afgelopen jaren hebben dit soort op koolstof gebaseerde systemen een reeks potentieel commercieel waardevolle eigenschappen opgeleverd, waaronder supersmering, met verwaarloosbare wrijving tussen grafeemplaten en grafietoppervlakken, terwijl superdiffusie ook werd waargenomen in simulaties van gouden nanoclusters geadsorbeerd op grafeen.

Een veelbelovend gebied is de ontwikkeling van op koolstof gebaseerde synthetische moleculaire motoren, door de mens gemaakte equivalenten van op eiwitten gebaseerde motoren die in het lichaam worden aangetroffen en die kritieke processen aandrijven, zoals intracellulaire handel en celdeling. Momenteel beperkt tot het laboratorium, het potentiële bredere gebruik van deze motoren op moleculaire schaal wordt tegenwoordig beperkt door een gebrek aan begrip van de oppervlaktefysica en -chemie van koolstofsystemen op microschaal. Dit belemmert de voortgang van belangrijke onderdelen van de motor, bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van oppervlakken die zonder weerstand of slijtage langs elkaar heen schuiven.

"Op dit moment wordt veel van de R&D in deze koolstofsystemen gedaan via experimentele chemie op een trial-and-error basis in plaats van door deze koolstofsystemen te ontwerpen vanuit de eerste principes, zegt IBL-onderzoeker dr. Peter Fouquet, die de studie leidde. "Deze situatie was moeilijk op te lossen omdat het niveau van analyse dat nodig is om nauwkeurige voorspellingen van systeemeigenschappen en dynamiek te maken behoorlijk veeleisend is en als gevolg daarvan zijn veel van de literatuurmechanismen niet correct."

Om ons begrip van deze systemen te verbeteren, Dr. Fouquet en zijn team hebben gewerkt aan een relatief eenvoudig koolstofsysteem - benzeen - om de beweging ervan op een oppervlak te onderzoeken. In 2009 heeft dr. Fouquet, samen met collega's van de Universiteit van Cambridge een paper gepubliceerd waaruit blijkt dat de beweging van benzeen kan worden beschreven door een soort oppervlaktebeweging die voor het eerst werd geïdentificeerd door Albert Einstein, Brownse diffusie genoemd. Het heeft betrekking op de willekeurige beweging van deeltjes die in een vloeistof zijn gesuspendeerd, vloeistof of een gas als gevolg van hun botsing met de snelle atomen of moleculen in het gas of de vloeistof.

In hun laatste studie onderzochten Dr. Fouquet en zijn team in meer detail de oorsprong van deze beweging en hoe deze wordt beïnvloed door het veranderen van de systeemtemperatuur tussen 60K en meer dan 140K, evenals veranderingen in moleculaire dichtheid. Om hun analyse uit te voeren, gebruikten Dr. Fouquet en zijn collega's de TOF-spectrometer IN6 en de NSE-spectrometer IN11 van het Institut Laue-Langevin (ILL), evenals de terugverstrooiingsspectrometer OSIRIS bij de ISIS-neutronenbron, die, wanneer ze werden gecombineerd, het team in staat stelde een gedetailleerd 2D-model van het systeem te maken. "Het voordeel van neutronenverstrooiing is dat je informatie krijgt over energie-uitwisselingen en tijdprofielen en tegelijkertijd informatie krijgt over de lengteschaal waarop dit gebeurt, " zegt dokter Fouquet.

In tegenstelling tot wat eerder werd gezien, bleek uit de analyse dat de diffusiesnelheid aanzienlijk afnam wanneer we de dichtheid van de deeltjes verhoogden - wat aantoont dat de diffusie bijna hetzelfde was als in een theoretisch ideale vloeistof waar vertraging alleen optreedt bij botsing tussen deeltjes. Het team vond ook het eerste bewijs van een conversie naar superdiffuus gedrag (diffusie met verwaarloosbare wrijving) bij de laagste benzeendichtheden.

"Dit werk heeft ons nieuwe inzichten gegeven in de aard van diffusie en de oorsprong van wrijving", zegt dr. Fouquet. "De nieuwe, nauwkeurigere modellering van deze processen zal helpen bij het zoeken naar bouwstenen met lage wrijving in nanotechnologie, inclusief die van koolstof. Vanuit een meer fundamenteel natuurkundig oogpunt, wat we hier hebben gecreëerd, een bijna perfect bruiningsgas 2D-systeem, is ook een briljant testsysteem voor het onderzoeken van de eenvoudige fysica van botsende deeltjes."