Je leest:

Superglibberigheid op de nanoschaal

Superglibberigheid op de nanoschaal

Auteurs: en | 3 november 2010

Wrijving zet nuttige energie om in nutteloze warmte en verspilt zo minstens vijf procent van alle welvaart in de wereld. Fysicus Joost Frenken wil wrijving tot vrijwel nul reduceren met nanostructuren op basis van grafeen. Dankzij een beurs, de ‘Advanced ERC Grant’, van 2,5 miljoen euro kan hij dit onderzoek nu in een stroomversnelling brengen.

Superlubricity, vrij vertaald als ‘superglibberigheid’, is de heilige graal in het materiaalonderzoek, stelt Joost Frenken. Zodra het mogelijk is twee oppervlakken zonder wrijving langs elkaar te laten bewegen en dit materiaal als een coating te kunnen aanbrengen op kogellagers en machineonderdelen, liggen enorme besparingen aan energie, materiaalverbruik en onderhoud in het verschiet.

Grafeen

Het uitbannen van wrijving klinkt als een utopie, maar eigenlijk is het Frenkens onderzoeksgroep ‘Oppervlaktefysica’ al gelukt. De wetenschappers toonden aan dat twee vlakjes van koolstofatomen die ongeveer maar honderd atomen groot zijn, bijna wrijvingsloos over elkaar heen kunnen glijden.

Frenken: “Dat is dus het grafeen waarvoor dit jaar een Nobelprijs is toegekend, alleen noemden wij dat toen nog niet zo.” De koolstofatomen in elk oppervlak moeten dan foutloos in het gelid liggen, terwijl er wel een draaiïngshoek tussen beide oppervlakken bestaat. Vergelijk het met twee stukken golfplaat: als je die met de ribbels parallel op elkaar legt, kost het heel veel kracht om ze van elkaar af te schuiven, maar als ze scheef op elkaar liggen glijdt het een stuk makkelijker.

Superglibberheid in beeld

Wikimedia Commons

Wikimedia Commons

Twee oppervlakken met een ‘eierdoosachtige’ vorm, vergelijkbaar met een atomair oppervlak, schuiven over elkaar heen. In het linkerplaatje liggen de heuveltjes parallel op elkaar, dus gaat het schuiven makkelijk: weinig wrijving. In het rechter plaatje gaat het veel moeilijker, omdat de heuveltjes in elkaar grijpen en de oppervlakken dichter langs elkaar schuiven: meer wrijving. Superglibberheid treedt dus op wanneer twee oppervlakken precies in de goede hoek over elkaar heen schuiven.

Opschalen

De grote uitdaging is echter om dit verschijnsel op te schalen. Want bij contactvlakken van duizend atomen gaat het eigenlijk al mis, omdat elk materiaal enigszins elastisch is. Als de golfplaten van rubber zijn en scheef trekken als er kracht op wordt uitgeoefend, haken de ribbels altijd wel ergens in elkaar en is het voorbij met de superglibberigheid.

Een voor de hand liggende truc om ook grotere oppervlakken wrijvingloos te maken is er voor te zorgen dat ze elkaar alleen raken op een groot aantal kleine contactvlakjes van maar honderd atomen. Vanwege de vereiste atomaire precisie is dat lang niet zo simpel als het lijkt, maar het is wel een van de benaderingen die Frenken dankzij de subsidie kan gaan uitdiepen: “We gaan het begrip van de fundamentele processen hierachter vergroten en de trukendoos uitbreiden.”

Joost Frenken droomt van coatings met zo min mogelijk wrijving.

Meer onderzoekers

De subsidie wordt vooral besteed aan meer onderzoekers. Tot nu werkte slechts een enkeling bij Oppervlaktefysica aan wrijving, nu kunnen vijf promovendi en postdocs ermee aan de slag; plus een full time technicus om nieuwe apparatuur te ontwikkelen, zoals bijvoorbeeld speciale instrumenten voor Atomic Force Microscopy (AFM) en Friction Force Microscopy (FFM).

Frenkens gedroomde einddoel: “Een wrijvingsverlagende coating, door grafeen zichzelf spontaan op atomaire schaal in de ideale vorm te laten groeien. Dat is het mooie aan dit onderwerp, het is spannende, fundamentele natuurkunde. En áls het werkt, kunnen we meteen octrooi aanvragen en kunnen anderen er een product van maken.”

Lees meer over grafeen:

Wat is grafeen, waarom is het zo bijzonder en wat kunnen we ermee? Word in één klap expert op het gebied van grafeen met ons overzichtelijke Kennislinkdossier.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Universiteit Leiden.
© Universiteit Leiden, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 03 november 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.