Noen ganger vekker eksperimentelle resultater enorm nysgjerrighet som inspirerer en myriade av spørsmål og ideer for videre eksperimentering. I 2004 isolerte Geim og Novoselov, fra University of Manchester, et enkelt lag med grafen fra bulkgrafitt med "Scotch Tape Method" som de ble tildelt 2010 Nobelprisen i fysikk for. Dette ene eksperimentelle resultatet har forgrenet seg utallige ganger og tjent som en inspirasjonskilde på så mange forskjellige felt. Vi er nå midt i en rekke forgreninger innen grafenforskning, og en av de grenene som får oppmerksomhet er ultralav friksjon observert mellom grafen og andre overflatematerialer.
Mye har blitt lært om grafen de siste 15 årene gjennom en enorm mengde forskning, hvorav det meste innen ikke-mekaniske områder (f.eks. elektrontransportmålinger, termisk ledningsevne, pseudomagnetiske felt i strain engineering). Supersmøring, et mekanisk fenomen, har imidlertid blitt fokus blant mange forskningsgrupper. Mekaniske målinger har berømt vist at grafens strekkstyrke er hundrevis av ganger høyere enn for det sterkeste stålet, og har utvilsomt plassert den på toppen av listen over byggematerialer som er best for en superheltdrakt. Supersmøring er en tribologisk egenskap til grafen og er uten tvil like imponerende som grafens strekkstyrke.
Tribologi er studiet av samvirkende overflater under relativ bevegelse, inkludert kilder til friksjon og metoder for reduksjon. Det er ikke en nylig oppdagelse at å belegge en overflate med grafitt (mange lag med grafen) kan redusere friksjonen mellom to glidende overflater. Nåværende forskning studerer de nøyaktige mekanismene og overflatene for å minimere friksjon med enkelt eller flere lag med grafen.
Forskning publisert i Nature Materials i 2018 måler friksjon mellom overflater under konstant belastning og hastighet. Eksperimentet omfatter to grupper; en bestående av to grafenoverflater (homogen overgang), og en annen bestående av grafen og sekskantet bornitrid (heterogen forbindelse). Forskergruppen måler friksjon ved hjelp av Atomic Force Microscopy (AFM). Det sekskantede bornitridet (eller grafen for et homogent kryss) er festet til scenen til AFM mens grafenet glir på toppen. Laster holdes konstant ved 20 𝜇N og glidehastighet konstant ved 200 nm/s. Ultralav friksjon observeres for homogene kryss når de underliggende krystallinske gitterstrukturene til overflatene er i en relativ vinkel på 30 grader. Imidlertid er denne ultralavfriksjonstilstanden svært ustabil og ved gliding roterer overflatene mot en låst gitterjustering. Friksjonen varierer med hensyn til den relative vinkelen mellom de to overflatenes krystallinske gitterstrukturer. Minimum (ultra lav) friksjon oppstår ved en relativ vinkel på 30 grader og når et maksimum når låst gitterinnretting realiseres ved glidning. Mens i en tilstand av gitterinnretting, blir skjæring umuliggjort med det eksperimentelle oppsettet på grunn av den relativt store mengden friksjon.
Friksjonen varierer med hensyn til den relative vinkelen til de krystallinske gitterstrukturene og er derfor anisotropisk. For eksempel, det faktum at det kreves mindre kraft for å kløyve tre når et økseblad påføres parallelt med kornene enn når det påføres vinkelrett, illustrerer treets anisotrope natur, ettersom kraften for å kløyve tre er avhengig av retningen kraften påføres langs. . Friksjonsanisotropi er større i homogene kryss fordi tendensen til å orientere seg i en fast, maksimal friksjonsjustering er større enn med heterokryss. Faktisk opplever heterogene veikryss friksjonsanisotropi som er tre størrelsesordener mindre enn homogene veikryss. Heterogene veikryss viser mye mindre friksjonsanisotropi på grunn av en gitterfeiljustering når vinkelen mellom gittervektorene er på et minimum. Med andre ord, grafen og hBN krystallinske gitterstrukturer er aldri parallelle fordi materialene er forskjellige, og opplever derfor aldri virkningen av gitterjustering som homogene veikryss. Derfor blir heterogene kryss ikke sittende fast i en høyfriksjonstilstand som kjennetegner homogene, og opplever ultralav friksjon under glidning ved alle relative krystallinske gitterstrukturvinkler.
Antagelig, for å øke anvendeligheten, vil oppskalering til mye større belastninger være nødvendig. En kostnadseffektiv metode i stor skala for å redusere friksjonen dramatisk vil utvilsomt ha en enorm innvirkning på et stort antall bransjer. Kostnadseffektivitet er en nøkkelkomponent for realiseringen av grafens potensielle påvirkning, ikke bare når det gjelder supersmøring, men i alle bruksområder. Etter hvert som tilgangen til store mengder rimelig grafen øker, vil eksperimenter med å lage enheter som utnytter de ekstraordinære egenskapene som har plassert grafen og grafenbaserte materialer i frontlinjen av materialforskning de siste par tiårene øker.
Kilde: https://quantumfrontiers.com/2020/03/24/achieving-superlubricity-with-graphene/
