Mit Graphen umwickelte Nanodiamanten reduzieren die Reibung auf nahezu Null

Wissenschaftler des Argonne National Laboratory untersuchten die Bedingungen, unter denen es möglich ist, die Reibung zwischen zwei festen Oberflächen drastisch zu verringern, und entwickelten hierfür eine Kombination aus Graphen und mikroskopischen Diamanten. Gleichzeitig dienen Diamanten als Analogon zu Kugeln in Lagern und reduzieren die Reibung auf nahezu Null.

In unserer Welt gibt es überall Reibung. Glatte Oberflächen enthalten auf den ersten Blick mikroskopische Unregelmäßigkeiten, die aneinander haften und der Bewegung von Objekten in Kontakt entgegenwirken. In der Technologie wird ein Schmiermittel verwendet , um den Energieverlust zu verringern und den Abrieb beweglicher Teile zu verhindern - manchmal flüssig, manchmal dick. Insbesondere Graphitfett hat gute Schmiereigenschaften .

In der Mikrowelt entsteht auf kleinen, idealerweise ebenen Oberflächen, die miteinander in Kontakt stehen, Reibung aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung von Atomen. Zum Beispiel besteht die Oberfläche in demselben Graphit aus Hügeln und Mulden, die stark einer Eierbox ähneln. Wenn Sie die beiden Kontaktflächen ausrichten, gleiten sie frei. Wenn einer von ihnen ein wenig gedreht wird, erscheinen Verbindungen und die Reibung nimmt stark zu.

Wenn zwei kristalline Oberflächen eine unterschiedliche Kristallstruktur haben, die "inkompatibel" miteinander sind, sollte die Reibung zwischen ihnen sehr gering sein. Eine solche Annahme wurde von Forschern unter der Leitung von Anirudha Sumant , einem Physiker und Doktor der Wissenschaften, getroffen.

Wissenschaftler haben die Reibungskraft zwischen Graphen und diamantartigem Kohlenstoff gemessen. Das erste, Graphen, ist eine flache zweidimensionale Oberfläche und weist daher eine geringe Reibung auf . Letzterer, diamantartiger Kohlenstoff (DLC), ist amorph wie Kohlenstoff, hat jedoch einige Eigenschaften von Diamantkristallen. Es wird als Beschichtung für verschiedene Werkzeuge und Geräte verwendet. Die DLC-Beschichtung bietet Eigenschaften wie Festigkeit, Wasserbeständigkeit und verringerte Reibung.

In den Experimenten stellte sich heraus, dass die Reibungskraft zwischen den beiden Materialien ungleichmäßig variiert. Nach der Untersuchung des Geschehens stellten die Wissenschaftler fest, dass Graphen zu kleinen Rollen rollt, die zwischen Oberflächen rollen und manchmal wie Kugeln in Lagern wirken und die Reibung verringern. Dann kam den Experimentatoren der Gedanke, diesen Effekt durch Hinzufügen kleiner Diamanten zwischen den Oberflächen zu verstärken.



Die Eigenschaften von Diamant ermöglichen es, sehr kleine Partikel davon zu erhalten, die praktisch im Nanobereich liegen. Die Ergebnisse des Experiments beruhigten die Wissenschaftler - nanorotorische Graphenpartikel, die sich um Nanodiamanten wickelten, sorgten für einen stabilen Lagereffekt und führten zum fast vollständigen Verschwinden der Reibung. Zum ersten Mal konnte ein Super-Slip zwischen zwei Materialien erzielt werden, die keine perfekten mikroskopischen Oberflächen ohne Defekte waren.

Bei der Untersuchung der Eigenschaften des Phänomens stellten die Wissenschaftler fest, dass eine hohe Luftfeuchtigkeit (höher als eine relative Luftfeuchtigkeit von 30%) den Effekt praktisch auf Null reduziert. Anscheinend trägt Wasserdampf, der zwischen die Oberflächen gelangt, zu ihrer gegenseitigen Anziehung bei. Dennoch dürfte dieser Effekt in der Mikroelektronik, der Raumfahrtindustrie und anderen Bereichen, in denen der Zustand der Umwelt kontrolliert werden kann, von Vorteil sein.