Supraschmierfähigkeit: Graphen und Nanodiamanten heben Reibung fast auf

US-Forschern ist es gelungen, zwei Oberflächen zu schaffen, zwischen denen es fast keine Reibung gibt. Sie sind mit zwei verschiedenen Formen von Kohlenstoff beschichtet.

Artikel veröffentlicht am 18. Mai 2015, 17:45 Uhr, Werner Pluta

Graphen (Symbolbild): Berg- und Tal-Landschaft auf atomarer Ebene (Bild: AlexanderAlUS/Wikipedia)

Da soll alles glatt laufen: Forschern des Argonne National Laboratory ist es gelungen, die Reibung zwischen zwei Oberflächen bis fast auf Null zu verringern. Diese Supraschmierfähigkeit ist mit verschiedenen Formen von Kohlenstoff gelungen.

Die eine Oberfläche ist mit Graphen beschichtet, die andere mit Diamant-ähnlichen Kohlenstoffschichten (Diamond-like Carbon, DLC). Dazwischen streuten die Forscher Nanodiamanten. Winzige Graphen-Plättchen wickeln sich um die Nano-Diamanten, die dann wie winzige Kugellager wirken. Dadurch werde die Reibung auf einen Koeffizienten von 0,004 reduziert, schreiben die Forscher in der Fachzeitschrift Science.

Kristalline Oberflächen treffen aufeinander

Supraschmierfähigkeit entsteht, wenn kristalline Oberflächen aufeinandertreffen und ihre Strukturen gegeneinander verdreht sind. Die Atome des Graphens formen eine Art Berg- und Tal-Landschaft. Die beiden Oberflächen müssen so aufeinander stehen, dass die Berge nicht auf den Täler liegen. Dann gibt es zwischen beiden Oberflächen so gut wie keine Reibung. Das Phänomen wurde erst vor gut zehn Jahren praktisch nachgewiesen, und bis dato auch erst an sehr kleine Proben.

Der Ansatz der Forscher war, dass Graphen und Diamanten geeignete Oberflächen haben, deren Berge und Täler nicht ineinander greifen. Sie beschichteten zwei Oberflächen damit und bestimmten die Reibung. Die war zwar gering, aber nicht gering genug für Supraschmierfähigkeit.

Graphen wickelt sich um Diamanten

Als die Wissenschaftler die Oberflächen anschließend untersuchten, fanden sie heraus, dass sich kleine Graphen-Plättchen von der einen Oberflächen gelöst hatten. Sie hatten sich aufgerollt, und die kleinen Röllchen wurden zwischen den Oberflächen zermahlen. So entstand die Idee, Nano-Diamanten hinzuzufügen. Das abgeschabte Graphen wickelte sich um die Minidiamanten. Die Nanorollen hätten nur eine sehr geringen Kontaktfläche, die die DLC-Fläche berühre. Das Ergebnis sei ein "signifikant verringerter Reibungskoeffizient".

Es ist auch das erste Mal, dass das Phänomen zwischen zwei Oberflächen erzeugt wurde, die keinen mikroskopischen Maßstab haben und komplett ohne Fehler sind. Die Forscher testeten die fast reibungslose Oberfläche unter verschiedenen Bedingungen - etwa größerer Last oder verschiedenen Temperaturen. Die Supraschmierfähigkeit blieb unter fast allen Bedingungen erhalten. Ausnahme war Feuchtigkeit: Ab einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30 Prozent stieg die Reibung wieder stark an.