grafen, det ultratunna undermaterialet bara en enda kolatom i tjocklek, har löftet om så imponerande tillämpningar som slitstarka, friktionsfria beläggningar. Men först måste tillverkare kunna producera stora ark grafen under exakt kontrollerade förhållanden. Dirk van Baarle studerade hur grafen växer i atomär skala och vad som bestämmer friktionen med andra material.

Förutsägbar kvalitet

En nästan perfekt friktionsfri, slitstark beläggning i maskiner kan generera enorma besparingar i bränsle och underhåll. Inom nanoteknologins värld kommer sådana beläggningar förmodligen till och med att ha tillämpningar som vi för närvarande inte kan förutsäga. I sin doktorsforskning studerade Dirk van Baarle en kandidat för sådana beläggningar:grafen. Van Baarle:"Det är en ganska utmaning att producera grafen av en förutsägbar kvalitet."

Grafen är bara superstarkt om trådnätet av kolatomer som utgör materialet är helt regelbundet i form. Men med nuvarande produktionsmetoder, ett ark grafen består i praktiken nästan alltid av ett lapptäcke av små bitar som har ympats på varandra. Van Baarle kunde nästan per kolatom levande observera hur öar av grafen växer mot varandra och hur denna process påverkas av temperatur och substrat. Detta är det första steget mot en produktionsmetod för att göra större, felfria ark av grafen.

Kycklingtrådsmönster

Grafen uppstår spontant när en mycket ren yta av iridium kommer i kontakt med eten (C2H4, ett kolväte) vid en temperatur på cirka 700 grader Celsius. Gasmolekylerna sönderfaller på den heta ytan, lämnar efter sig kolatomer, som spontant bildar ett nätverk av sammanlänkade hexagoner, i ett hönsnätsmönster.

För sin forskning använde Van Baarle en unik utrustning i Huygens-Kamerlingh Onnes Laboratory, VT-STM (Variable Temperature Scanning Tunneling Microscope). Denna apparat består av en liten penna med en spets som bara är några få atomer tjock. Den kan användas för att systematiskt skanna en yta med en så hög grad av precision (vad du i själva verket gör är att mäta flödet av elektricitet mellan pennan och ytan) att även enskilda atomer kan urskiljas. Det som gör Leiden-instrumentet unikt är att det kan göra detta även vid höga och varierande temperaturer.

En anmärkningsvärd upptäckt är att atomära processer inte bara sker i det växande lagret av grafen. I praktiken, ytan av iridium matchar inte atomskikten i substratet perfekt. Iridium bildar breda steg på ytan, där grafenet växer över den. Men dessa steg kan fortsätta att växa under grafenet eller kan dra sig tillbaka som ett resultat av att iridiumatomerna i substratet anpassar sig själva. Denna process, för, måste kontrolleras noggrant för att perfekta ark av grafen ska kunna bildas.

Kontaktpunkter

I den teoretiska delen av hans forskning, Van Baarle utvecklade en modell för hur friktion uppstår på atomnivå. När två ytor glider över varandra, de faktiska kontaktpunkterna är bara nanometer stora, bara några få atomer. Friktionen är maximal när nano-utsprångens styvhet är ungefär genomsnittlig:inte för mjuk, men inte heller för stel.

Van Baarle:"En av mina kollegor belägger för närvarande ett föremål med nano-nålar med hjälp av en litografiteknik (en teknik som också används för datorchips). Dessa nålar varierar i styvhet, beroende på i vilken riktning de böjs. Det betyder att ytans friktion är olika i olika riktningar." Detta kan vara användbart, till exempel, för en beläggning på en roterande axel, för att förhindra att den rör sig i sidled.

"Internt använder vi redan grafenbeläggningar i vår utrustning för att minska friktionen utan att använda smörjmedel, " förklarar Van Baarle. "Det har redan resulterat i ett patent och en start-up, Tillämpade nanolager. Inte konstigt att vår professor, Joost Frenken, har redan vunnit ett valoriseringspris."