Intresset för kol och dess användning i ny teknik är mycket stort just nu. Mycket kommersiell och akademisk forskning och utveckling går till att göra nanometerstora system av det. Under de senaste åren har dessa typer av kolbaserade system gett en rad potentiella kommersiellt värdefulla egenskaper som inkluderar supersmörjbarhet, med försumbar friktion mellan grafemark och grafitytor, medan superdiffusion också observerades i simuleringar av guld nanokluster adsorberade på grafen.

Ett särskilt lovande område är utvecklingen av kolbaserade syntetiska molekylära motorer, konstgjorda motsvarigheter till proteinbaserade motorer som finns i kroppen som driver kritiska processer som intracellulär trafficking och celldelning. För närvarande begränsad till labbet, den potentiella bredare användningen av dessa motorer i molekylär skala begränsas idag av en bristande förståelse för ytfysiken och kemin hos kolsystem på mikroskalan. Detta håller tillbaka framsteg på viktiga delar av motorn, till exempel vid utveckling av ytor som glider förbi varandra utan motstånd eller slitage.

"För närvarande sker mycket av forskningen och utvecklingen av dessa kolsystem via experimentell kemi på försök och fel snarare än genom att konstruera dessa kolsystem från första principer, säger ILL-forskaren Dr Peter Fouquet, som ledde studien. "Den här situationen har varit svår att lösa eftersom analysnivån som krävs för att göra korrekta förutsägelser av systemegenskaper och dynamik är ganska krävande och som ett resultat av många av litteraturens mekanismer är inte korrekta."

För att förbättra vår förståelse av dessa system, Dr Fouquet och hans team har arbetat på ett relativt enkelt kolsystem - bensen - för att undersöka dess rörelse på en yta. 2009 Dr Fouquet, tillsammans med kollegor från Cambridge University publicerat en artikel som visar att bensens rörelse kan beskrivas av en sorts ytrörelse som först identifierades av Albert Einstein, kallas Brownsk diffusion. Det relaterar till den slumpmässiga rörelsen av partiklar suspenderade i en vätska, vätska eller en gas som härrör från deras kollision med de snabba atomerna eller molekylerna i gasen eller vätskan.

I sin senaste studie undersökte Dr Fouquet och hans team mer i detalj ursprunget till denna rörelse och hur den påverkas av att ändra systemtemperaturen mellan 60K till över 140K, såväl som förändringar i molekylär densitet. För att utföra sin analys använde Dr Fouquet och hans kollegor TOF-spektrometern IN6 och NSE-spektrometern IN11 vid Institut Laue-Langevin (ILL) samt av backspridningsspektrometern OSIRIS vid ISIS neutronkälla, vilket i kombination gjorde att teamet kunde skapa en detaljerad 2D-modell av systemet. "Fördelen med neutronspridning är att du får information om energiutbyten och tidsprofiler samtidigt som du får information om på vilken längdskala detta händer, säger Dr Fouquet.

I motsats till vad som sågs innan analysen avslöjade att diffusionshastigheten minskade avsevärt när vi ökade partiklarnas densitet - vilket visar att diffusionen var nästan som i en teoretiskt idealisk vätska där avmattning sker endast vid kollision mellan partiklar. Teamet hittade också det första beviset på en omvandling till superdiffusivt beteende (diffusion med försumbar friktion) vid de lägsta bensendensiteterna.

"Detta arbete har gett oss nya insikter om diffusionens natur och friktionens ursprung", säger Dr Fouquet. "Den nya, mer exakt modellering av dessa processer kommer att underlätta sökandet efter lågfriktionsbyggstenar inom nanoteknik, inklusive de som är gjorda av kol. Ur en mer fundamental fysiksynpunkt, vad vi har skapat här, ett nästan perfekt brungas 2D-system, är också ett lysande testsystem för att undersöka den enkla fysiken hos kolliderande partiklar."