Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een manier gevonden om kleine diamanten en grafeen te gebruiken om wrijving de slip te geven, het creëren van een nieuwe materiaalcombinatie die het zeldzame fenomeen van "superlubricity" demonstreert.

Onder leiding van nanowetenschapper Ani Sumant van Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM) en Argonne Distinguished Fellow Ali Erdemir van Argonne's Energy Systems Division, het vijfkoppige Argonne-team combineerde diamanten nanodeeltjes, kleine stukjes grafeen - een tweedimensionale single-sheet vorm van pure koolstof - en een diamantachtig koolstofmateriaal om supersmering te creëren, een zeer gewenste eigenschap waarbij wrijving tot bijna nul daalt.

Volgens Erdemir, terwijl de grafeenvlekken en diamantdeeltjes tegen een groot diamantachtig koolstofoppervlak wrijven, het grafeen rolt zich om het diamantdeeltje, iets creëren dat op nanoscopisch niveau lijkt op een kogellager. "De interactie tussen het grafeen en de diamantachtige koolstof is essentieel voor het creëren van het 'superlubricity'-effect, " zei hij. "De twee materialen zijn van elkaar afhankelijk."

Op atomair niveau is wrijving treedt op wanneer atomen in materialen die tegen elkaar schuiven "opgesloten raken, " wat extra energie vereist om te overwinnen. "Je kunt het zien als proberen twee eierdozen van onder naar beneden tegen elkaar te schuiven, " zei Diana Berman, een postdoctoraal onderzoeker bij de CNM en een auteur van de studie. "Er zijn momenten waarop de plaatsing van de openingen tussen de eieren - of in ons geval, de atomen - veroorzaakt een verstrengeling tussen de materialen die gemakkelijk glijden verhindert."

Door de met grafeen ingekapselde diamanten kogellagers te maken, of "rollen", het team vond een manier om de superlubricity op nanoschaal te vertalen naar een fenomeen op macroschaal. Omdat de rollen tijdens het glijden van richting veranderen, voldoende diamantdeeltjes en grafeenpatches voorkomen dat de twee oppervlakken vast komen te zitten. Het team gebruikte grootschalige atomistische berekeningen op de Mira-supercomputer van de Argonne Leadership Computing Facility om te bewijzen dat het effect niet alleen op nanoschaal maar ook op macroschaal te zien was.

"Een scroll kan veel gemakkelijker worden gemanipuleerd en geroteerd dan een eenvoudig vel grafeen of grafiet, ' zei Berman.

Echter, het team was verbaasd dat, hoewel de supersmering behouden bleef in droge omstandigheden, in een vochtige omgeving was dit niet het geval. Omdat dit gedrag contra-intuïtief was, het team wendde zich opnieuw tot atomistische berekeningen. "We hebben waargenomen dat de scroll-vorming werd geremd in de aanwezigheid van een waterlaag, waardoor er meer wrijving ontstaat, ", verklaarde co-auteur Argonne computationele nanowetenschapper Subramanian Sankaranarayanan.

Hoewel de tribologie zich al lang bezighoudt met manieren om wrijving te verminderen - en dus de energiebehoefte van verschillende mechanische systemen - wordt supersmering als een moeilijk voorstel beschouwd. "Iedereen zou ervan dromen om supersmering te kunnen bereiken in een breed scala aan mechanische systemen, maar het is een heel moeilijk doel om te bereiken, " zei Sanket Deshmukh, een andere CNM-postdoctoraal onderzoeker over de studie.

"De kennis die uit dit onderzoek is opgedaan, "Sumant voegde toe, "zal cruciaal zijn bij het vinden van manieren om wrijving in alles te verminderen, van motoren of turbines tot harde schijven van computers en micro-elektromechanische systemen."