Grafen, cudowny materiał, mógłby z powodzeniem posłużyć jako odporna na tarcie i na zużycie powłoka do zastosowań przemysłowych. Aby jednak zrealizować tę piękną wizję, trzeba opracować metodę otrzymywania stabilnych, dużych powierzchniowo warstw grafenu w ściśle kontrolowanych warunkach. Pomocne na tej drodze mogą się okazać badania Dirka van Baarle z Uniwersytetu w Lejdzie.
Fot. Leiden Universiteit
Powłoka, która niemal całkowicie eliminuje tarcie, doskonale odporna na zużycie, byłaby prawdziwym hitem przemysłu maszynowego – znacząco zmniejszyłaby wydatki na energię i konserwację. Dirk van Baarle wierzy, że idealnym materiałem na takie pokrycie jest grafen. W ramach swojej pracy doktoranckiej naukowiec z Holandii przeprowadził badania nad wzrostem grafenu w skali atomowej oraz nad tarciem na jego powierzchni.
Zamiast patchworku
Grafen jest „supermocny” tylko wtedy, kiedy sieć atomów węgla, która go tworzy, jest idealnie regularna. Przy obecnych metodach produkcyjnych możemy jednak otrzymywać tylko warstwy „pozszywane” z mniejszych regularnych fragmentów, na wzór patchworku.
Van Baarle przyjrzał się dokładnie obecnym technikom otrzymywania grafenu – obserwował, jak grafenowe wyspy rosną i jak na ten proces wpływa podłoże i temperatura. Na tej podstawie wysnuł wnioski, które mogą nam pomóc w otrzymaniu dużych, jednorodnych warstw tego materiału.
Wędrujące schodki
Grafen powstaje spontanicznie, kiedy czysta powierzchnia irydu wchodzi w kontakt z etylenem (C2H4) w temperaturze ok. 700°C. Cząsteczki gazu rozpadają się na gorącej powierzchni, a uwolnione w ten sposób atomy węgla spontanicznie tworzą sieć heksagonalną, czyli tzw. wzór „siatki drucianej”.
Do obserwacji tego procesu Van Baarle wykorzystał doskonałej jakości sprzęt z Huygens-Kamerlingh Onnes Laboratory, mikroskop tunelowy VT-STM. Posiada on maleńką igłę, której końcówka ma zaledwie kilka atomów grubości. Przy pomocy tego narzędzia powierzchnia jest skanowana z dokładnością na poziomie pojedynczych atomów. Mikroskop w ośrodku w Lejdzie jest jednak unikatowy, ponieważ badanie można dodatkowo przeprowadzić w bardzo wysokiej i zmieniającej się temperaturze.
Co odkrył badacz? M.in. że ruchy atomów zachodzą nie tylko w obrębie warstwy grafenowej – przemianom ulega również sama powierzchnia irydu. Tworzą się na niej struktury przypominające schodki, na których rośnie grafen; z czasem struktury te mogą rozrastać się pod warstwą grafenu lub, przeciwnie, zanikać, ponieważ atomy irydu ulegają przemieszczeniom. Jeśli chcemy uzyskać idealną powłokę grafenową, musimy dokładnie zbadać ten proces i nauczyć się go kontrolować. Może być on bowiem kluczem do otrzymywania dużych, jednorodnych warstw grafenu.
I jeszcze kilka słów o tarciu…
Ponadto w części teoretycznej swojej pracy Van Baarle opracował model tarcia na poziomie atomowym. Ustalił, że powierzchnia styku w momencie tarcia jest bardzo mała, zaledwie rozmiarów kilku atomów. Tarcie natomiast występuje wtedy, kiedy sztywność nanowypukłości na powierzchni ma wartości średnie – nie jest zbyt duża, ale i nie zbyt mała. Informacje te również mogą się okazać przydatne przy opracowywaniu nowej generacji powłok grafenowych.
Źródło: SpecialChem.com, Leiden Universiteit
