Nieuw onderzoek werpt licht op de aard van wrijving in meerlagig grafeen

Grafeen, dat uit een enkele laag koolstofatomen bestaat, is het affichekind van op koolstof gebaseerde 2D-nanomaterialen. Het heeft veel aantrekkelijke eigenschappen die kunnen worden benut in de volgende generatie elektronica, optica, katalyse, biogeneeskunde en vele andere gebieden. Onlangs hebben veel wetenschappers zich gericht op chemische dampafzetting (CVD) als een kostenefficiënte techniek voor het produceren van grotere grafeenoppervlakken in plaats van de gevestigde methode van mechanische exfoliatie, die alleen kleine grafeeneilanden kan produceren.

CVD-grafeen bevat echter een behoorlijk aantal oppervlaktestructuren en defecten, waaronder rimpels, kristalkorrelgrenzen en oppervlakteverontreiniging. Omdat grafeen zo dun is, kunnen zelfs kleine oppervlakte-onregelmatigheden de eigenschappen ervan sterk beïnvloeden, waardoor de relatie tussen oppervlakte-eigenschappen een belangrijk onderzoeksgebied wordt. Hoewel er uitgebreid onderzoek is gedaan naar dit onderwerp voor enkellaags CVD-grafeen, hebben maar weinigen zich gericht op hoe oppervlaktestructuren de wrijvingskenmerken op nanoschaal van meerlagig CVD-grafeen beïnvloeden.

Onlangs heeft een team van onderzoekers van de Pusan ​​National University, Korea, onder leiding van assistent-professor Songkil Kim, deze kenniskloof aangepakt. “Het is erg belangrijk om oppervlakte-eigenschappen te correleren met de eigenschappen van een materiaal”, legt dr. Kim uit. “Stel je voor dat je papier op elkaar stapelt en dat er een enorme drukspanning op dit papier staat. Dit kan enorme structurele vervormingen veroorzaken binnen de gestapelde lagen en het oppervlak. Evenzo kunnen de structurele veranderingen die optreden in meerlagig grafeen de oppervlakte-eigenschappen beïnvloeden, zoals de wrijving, en daar hebben we ons op gericht.” Hun paper werd op 24 januari 2022 online beschikbaar gesteld en gepubliceerd in Volume 584 van Toegepaste oppervlaktewetenschap op 15 mei 2022.

Het team gebruikte eerst de punt van een atoomkrachtmicroscoop (AFM) ter grootte van een atoom om het oppervlak van CVD-meerlaags grafeen te krassen, waarbij eventuele polymere resten werden verwijderd. Vervolgens gebruikten ze AFM-beeldvorming, wrijvingskrachtmicroscopie en Raman-spectroscopie om verschillende oppervlaktestructuren te identificeren en te bestuderen en hoe deze wrijving op nanoschaal beïnvloeden. Interessant genoeg ontdekten ze dat alleen de bovenste laag grafeen gedraaid was ten opzichte van de rest, wat de laagafhankelijke wrijving op nanoschaal beïnvloedde op een manier die varieerde afhankelijk van de toegepaste belasting.

Over het algemeen kunnen de bevindingen van deze studie de weg vrijmaken voor interessante mechanische toepassingen voor CVD-grafeen. “Grafeen en soortgelijke materialen kunnen worden gebruikt als vaste smeermiddelen”, zegt Dr. Kim, “Terwijl vloeibare smeermiddelen zoals motoroliën niet geschikt zijn voor ruwe omgevingen zoals de ruimte of de poolgebieden, maken de uitstekende robuustheid en wrijvingseigenschappen van grafeen het een aantrekkelijk niet-toxisch alternatief.”

Interessant is dat het ontwikkelen van hoogwaardige smeermiddelen milieuvoordelen heeft, aangezien het verminderen van wrijving essentieel is om energieverliezen in mechanische systemen te voorkomen. Een andere potentiële toepassing voor meerlagig CVD-grafeen is in micro/nano-apparaten, waar een nauwkeurige controle van wrijving noodzakelijk is.