Forskare vid det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory har hittat ett sätt att använda små diamanter och grafen för att ge friktionen slip, skapa en ny materialkombination som visar det sällsynta fenomenet "superlubricitet".

Leds av nanoforskaren Ani Sumant från Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM) och Argonne Distinguished Fellow Ali Erdemir från Argonnes Energy Systems Division, Argonne-teamet på fem personer kombinerade diamantnanopartiklar, små fläckar av grafen – en tvådimensionell enkelarksform av rent kol – och ett diamantliknande kolmaterial för att skapa supersmörjhet, en mycket önskvärd egenskap där friktionen sjunker till nära noll.

Enligt Erdemir, när grafenfläckarna och diamantpartiklarna gnider mot en stor diamantliknande kolyta, grafenet rullar sig runt diamantpartikeln, skapa något som ser ut som ett kullager på nanoskopisk nivå. "Interaktionen mellan grafenen och det diamantliknande kolet är avgörande för att skapa "superlubricitetseffekten", " sade han. "De två materialen är beroende av varandra."

På atomnivå, friktion uppstår när atomer i material som glider mot varandra blir "låsta i tillstånd, " som kräver ytterligare energi för att övervinna.  "Du kan se det som att försöka skjuta två äggkartonger mot varandra från botten till botten, sa Diana Berman, en postdoktor vid CNM och en författare till studien. "Det finns tillfällen då placeringen av mellanrummen mellan äggen - eller i vårt fall, atomerna – orsakar en intrassling mellan materialen som förhindrar lätt glidning."

Genom att skapa de grafeninkapslade diamantkullagren, eller "rullar", teamet hittade ett sätt att översätta supersmörjigheten i nanoskala till ett fenomen i makroskala. Eftersom rullarna ändrar sin orientering under glidningsprocessen, tillräckligt med diamantpartiklar och grafenfläckar förhindrar att de två ytorna blir låsta i tillstånd. Teamet använde storskaliga atomistiska beräkningar  på Mira-superdatorn vid Argonne Leadership Computing Facility för att bevisa att effekten inte bara kunde ses på nanoskala utan också på makroskala.

"En rullning kan manipuleras och roteras mycket lättare än ett enkelt ark av grafen eller grafit, sa Berman.

Dock, teamet var förbryllad över att även om supersmörjigheten bibehölls under torra förhållanden, i en fuktig miljö var detta inte fallet. Eftersom detta beteende var kontraintuitivt, teamet övergick återigen till atomistiska beräkningar. "Vi observerade att rullningsbildningen hämmades i närvaro av ett vattenskikt, orsakar därför högre friktion, " förklarade medförfattaren Argonne beräkningsnanoforskare Subramanian Sankaranarayanan.

Medan tribologiområdet länge har handlat om sätt att minska friktionen – och därmed energikraven från olika mekaniska system – har supersmörjhet behandlats som ett tufft förslag. "Alla skulle drömma om att kunna uppnå supersmörjhet i ett brett utbud av mekaniska system, men det är ett väldigt svårt mål att uppnå, sa Sanket Deshmukh, en annan CNM-postdoktor om studien.

"Kunskapen från denna studie, " tillade Sumant, "kommer att vara avgörande för att hitta sätt att minska friktionen i allt från motorer eller turbiner till datorhårddiskar och mikroelektromekaniska system."