Joskus kokeelliset tulokset herättävät valtavaa uteliaisuutta, joka innostaa lukemattomia kysymyksiä ja ideoita jatkokokeiluun. Vuonna 2004 Geim ja Novoselov Manchesterin yliopistosta eristivät yhden grafeenikerroksen irtotavarasta grafiitista "Scotch Tape Method" -menetelmällä, josta heille myönnettiin vuoden 2010 fysiikan Nobel-palkinto. Tämä yksi kokeellinen tulos on haarautunut lukemattomia kertoja toimien inspiraation lähteenä niin monilla eri aloilla. Olemme nyt keskellä joukkoa haarautumista grafeenitutkimuksessa, ja yksi niistä haavoittuvista haaroista on grafeenin ja muiden pintamateriaalien välillä havaittu erittäin pieni kitka.
Grafeenista on opittu paljon viimeisten 15 vuoden aikana valtavan määrän tutkimuksia, joista suurin osa tapahtuu ei-mekaanisissa alueissa (esim. Elektronikuljetusten mittaukset, lämmönjohtavuus, näennämagneettiset kentät rasitustekniikassa). Yliöljyydestä, mekaanisesta ilmiöstä, on kuitenkin tullut painopiste monien tutkimusryhmien keskuudessa. Mekaaniset mittaukset ovat tunnetusti osoittaneet, että grafeenin vetolujuus on satoja kertoja vahvimmalla teräksellä, mikä on kiistatta sijoittanut sen supersankaripukuun parhaiten soveltuvien rakennusmateriaalien luetteloon. Ylivoitelu on grafeenin tribologinen ominaisuus ja on kiistatta yhtä vaikuttava kuin grafeenin vetolujuus.
Tribologia on vuorovaikutuksessa olevien pintojen tutkimus suhteellisen liikkeen aikana, mukaan lukien kitkalähteet ja menetelmät sen vähentämiseksi. Ei ole viimeaikainen löytö, että pinnan päällystäminen grafiitilla (monet grafeenikerrokset) voi vähentää kitkaa kahden liukuvan pinnan välillä. Nykyinen tutkimus tutkii tarkkoja mekanismeja ja pintoja, joilla kitka voidaan minimoida yhdellä tai useammalla grafeenikerroksella.
Tutkimus julkaistu Luonto Materiaalit vuonna 2018 mittaa kitkaa pintojen välillä vakion kuormituksen ja nopeuden alaisena. Koe sisältää kaksi ryhmää; yksi koostuu kahdesta grafeenipinnasta (homogeeninen liitos) ja toinen grafeenista ja kuusikulmaisesta boorinitridistä (heterogeeninen liitos). Tutkimusryhmä mittaa kitkaa atomivoimamikroskopialla (AFM). Kuusikulmainen boorinitridi (tai grafeeni homogeeniselle liitokselle) kiinnitetään AFM: n vaiheeseen, kun grafeeni liukuu huipulla. Kuormat pidetään vakiona 20 𝜇 N: ssä ja liukunopeusvakio 200 nm / s. Erittäin matala kitka havaitaan homogeenisissa liitoksissa, kun pintojen alla olevat kiteiset ristikkorakenteet ovat 30 asteen suhteellisessa kulmassa. Tämä erittäin alhainen kitkatila on kuitenkin hyvin epävakaa ja liu'utettaessa pinnat pyörivät lukittua ristikkokohdetta kohti. Kitka vaihtelee suhteessa kahden pinnan kiteisen ristikkorakenteen väliseen suhteelliseen kulmaan. Pienin (erittäin matala) kitka tapahtuu suhteellisessa 30 asteen kulmassa, joka saavuttaa maksimin, kun lukittu ristikon suuntaus toteutetaan liu'utettaessa. Silloin kun ristikko on linjassa, leikkaaminen on mahdotonta kokeellisessa asennuksessa suhteellisen suuren kitkan määrän vuoksi.
Kitka vaihtelee kiteisten ristikkorakenteiden suhteellisen kulman suhteen ja on siksi anisotrooppinen. Esimerkiksi se, että puun halkaisu vie vähemmän voimaa, kun kirvesterää käytetään yhdensuuntaisesti sen jyvien kanssa kuin kohtisuoraan kohdistettuna, havainnollistaa puun anisotrooppista luonnetta, koska puun halkaisuvoima riippuu voiman kohdistussuunnasta . Kitka-anisotropia on suurempi homogeenisissa risteyksissä, koska taipumus orientoitua jumittuneeseen, maksimaaliseen kitka-suuntaukseen on suurempi kuin heteroyhteyksissä. Itse asiassa heterogeenisissä risteyksissä esiintyy kitka-anisotropiaa kolme suuruusluokkaa vähemmän kuin homogeenisissa risteyksissä. Heterogeenisillä liitoksilla on paljon vähemmän kitkaa anisotropiaa hilan vääristymän vuoksi, kun ristivektorien välinen kulma on minimissä. Toisin sanoen, grafeeni- ja hBN-kiteiset ristikkorakenteet eivät ole koskaan yhdensuuntaisia, koska materiaalit eroavat toisistaan, joten koskaan ei koketa ristikon kohdistuksen vaikutusta samoin kuin homogeenisissa liitoksissa. Siksi heterogeeniset liitokset eivät jumitu suuressa kitkatilassa, joka luonnehtii homogeenisia, ja ne kokevat erittäin pienen kitkan liukumisen aikana kaikissa suhteellisissa kiteisen hilarakenteen kulmissa.
Oletettavasti sovellettavuuden lisäämiseksi skaalaus on tarpeen paljon suuremmille kuormille. Laajamittainen kustannustehokas menetelmä kitkan dramaattiseksi vähentämiseksi epäilemättä vaikuttaisi valtavasti moniin teollisuudenaloihin. Kustannustehokkuus on avainasemassa grafeenin mahdollisten vaikutusten toteutumisessa, paitsi siltä osin kuin se koskee ylivoitelua, mutta myös kaikilla käyttöalueilla. Kun pääsy suuriin määriin edulliseen grafeeniin lisääntyy, myös laitteiden valmistuskokeet lisääntyvät hyödyntäen niitä poikkeuksellisia ominaisuuksia, jotka ovat asettaneet grafeeniin ja grafeenipohjaisiin materiaaleihin materiaalitutkimuksen etulinjassa parin viime vuosikymmenen aikana.
Lähde: https://quantumfrontiers.com/2020/03/24/achieving-superlubricity-with-graphene/
