grafeen, het ultradunne wondermateriaal slechts een enkel koolstofatoom dik, houdt de belofte in van zulke indrukwekkende toepassingen als slijtvast, wrijvingsvrije coatings. Maar eerst moeten fabrikanten onder nauwkeurig gecontroleerde omstandigheden grote platen grafeen kunnen produceren. Dirk van Baarle onderzocht hoe grafeen op atomaire schaal groeit en wat de wrijving met andere materialen bepaalt.

Voorspelbare kwaliteit

Een bijna perfect wrijvingsloos, slijtvaste coating in machines kan enorme besparingen opleveren op brandstof en onderhoud. In de wereld van nanotechnologie zullen dergelijke coatings waarschijnlijk zelfs toepassingen hebben die we nu niet kunnen voorspellen. In zijn promotieonderzoek bestudeerde Dirk van Baarle een kandidaat voor dergelijke coatings:grafeen. Van Baarle:"Het is een hele uitdaging om grafeen van een voorspelbare kwaliteit te produceren."

Grafeen is alleen supersterk als het draadgaas van koolstofatomen waaruit het materiaal bestaat, perfect regelmatig van vorm is. Maar met de huidige productiemethoden, een plaat grafeen bestaat in de praktijk bijna altijd uit een patchwork van kleine stukjes die op elkaar zijn geënt. Van Baarle heeft bijna per koolstofatoom live kunnen observeren hoe eilanden van grafeen naar elkaar toe groeien en hoe dit proces wordt beïnvloed door temperatuur en substraat. Dit is de eerste stap naar een productiemethode om grotere, onberispelijke vellen grafeen.

Kippengaaspatroon

Grafeen ontstaat spontaan wanneer een zeer schoon oppervlak van iridium in contact komt met ethyleen (C2H4, een koolwaterstof) bij een temperatuur van ongeveer 700 graden Celsius. De gasmoleculen vallen uiteen op het hete oppervlak, de koolstofatomen achterlatend, die spontaan een netwerk van gekoppelde zeshoeken vormen, in een kippengaaspatroon.

Voor zijn onderzoek gebruikte Van Baarle een uniek apparaat in het Huygens-Kamerlingh Onnes Laboratorium, de VT-STM (Variabele Temperatuur Scanning Tunneling Microscoop). Dit apparaat bestaat uit een minuscule stylus met een punt van slechts enkele atomen dik. Het kan worden gebruikt om systematisch een oppervlak te scannen met zo'n hoge mate van precisie (wat je in feite doet is de stroom van elektriciteit tussen de stylus en het oppervlak meten) dat zelfs individuele atomen kunnen worden onderscheiden. Wat het Leidse instrument uniek maakt, is dat het dit zelfs bij hoge en variabele temperaturen kan.

Een opmerkelijke bevinding is dat atomaire processen niet alleen plaatsvinden in de groeiende laag grafeen. In praktijk, het oppervlak van het iridium past niet perfect bij de atomaire lagen in het substraat. Het iridium vormt brede treden op het oppervlak, waar het grafeen overheen groeit. Maar deze stappen kunnen onder het grafeen blijven groeien of zich terugtrekken doordat de iridium-atomen in het substraat zichzelf opnieuw uitlijnen. Dit proces, te, moet nauwkeurig worden gecontroleerd om perfecte vellen grafeen te kunnen vormen.

Contactpunten

In het theoretische deel van zijn onderzoek Van Baarle ontwikkelde een model van hoe wrijving ontstaat op atomair niveau. Als twee oppervlakken over elkaar schuiven, de werkelijke contactpunten zijn slechts nanometer groot, slechts een paar atomen. De wrijving is maximaal wanneer de stijfheid van de nano-uitsteeksels ongeveer gemiddeld is:niet te zacht, maar ook niet te stijf.

Van Baarle:"Een van mijn collega's bekleedt momenteel een object met nano-naalden met behulp van een lithografietechniek (een techniek die ook wordt gebruikt voor computerchips). Deze naalden variëren in stijfheid, afhankelijk van de richting waarin ze buigen. Dit betekent dat de wrijving van het oppervlak in verschillende richtingen anders is." Dit kan handig zijn, bijvoorbeeld, voor een coating op een draaiende as, om te voorkomen dat het zijdelings beweegt.

"Intern gebruiken we al grafeencoatings in onze apparatuur om wrijving te verminderen zonder smeermiddelen te gebruiken, Van Baarle legt uit. “Het heeft al geresulteerd in een patent en een start-up, Toegepaste nanolagen. Geen wonder dat onze professor, Joost Frenken, heeft al een valorisatieprijs gewonnen."