Nederlandse fysici meten superlubriciteit in grafiet

Twee grafietoppervlakken kunnen vrijwel wrijvingsloos over elkaar heen glijden, hebben Leidse, Delftse en Amsterdamse onderzoekers ontdekt, maar niet onder iedere hoek. Aan dit verschijnsel, superlubriciteit genoemd, dankt grafiet zijn goede eigenschappen als smeermiddel voor sloten en fijnmechanica (Physical Review Letters, 26 maart).

Voor het aantonen ervan gebruikten ze een nieuw, zelfgebouwd apparaat om op atoomschaal wrijvingsweerstanden te meten, de `tribolever' gedoopt. De kern daarvan is een minuscuul naaldje van wolfraam, dat verend in het horizontale vlak is opgehangen. Als de naald over een ondergrond geschoven wordt, sleept eventuele wrijvingsweerstand hem een eindje mee. Dit meeslepen wordt gemeten door laserbundels die terugkaatsen tegen vier spiegelvlakjes in de vorm van een piramide. Op deze manier kunnen wrijvingskrachten bespeurd worden tot vijftien biljoenste Newton, overeenkomend met een duizendste van het gewicht van een zandkorrel.

Als de naald over een dunne laag grafiet geschoven werd, vonden de onderzoekers dat de wrijving varieert, afhankelijk van de draaiing van de naald ten opzichte van de ondergrond. Bij hoeken van nul en zestig graden was de wrijving klein maar meetbaar, maar daartussen viel hij vrijwel geheel weg (maar was overigens wel meetbaar). Hun verklaring is dat er aan de naald een vlokje grafiet een vorm van pure koolstof is blijven kleven, zodat twee grafietoppervlakken over elkaar schuiven.

De koolstofatomen in het grafietoppervlak vormen evenwijdige rijen. Als de rijen van beide grafietoppervlakken gelijk georiënteerd zijn, vallen die rijen in elkaar, als twee op elkaar gestapelde golfplaten. De oppervlakken kunnen ten opzichte van elkaar niet vrij bewegen, wat zich vertaalt als wrijvingsweerstand.

Maar als de grafietoppervlakken gedraaid zijn ten opzichte van elkaar passen de rijen niet in elkaar, en glijden de lagen moeiteloos in alle richtingen, als golfplaten die dwars op elkaar liggen. Dit uit zich in het wegvallen van de wrijvingsweerstand, ofwel superlubriciteit. De ordening van atomen in grafietlagen in een zeshoekpatroon, met rijen in drie richtingen, verklaart de wrijving bij hoeken van nul en (meervouden van) zestig graden.

De meting is een bevestiging van een verschijnsel waarvoor al in 1991 aanwijzingen gevonden waren. Vermoedelijk verklaart superlubriciteit ook de smerende eigenschappen van grafiet, stellen de onderzoekers. Eerder werd deze toegeschreven aan de slechte binding tussen verschillende grafietlaagjes. Volgens de onderzoekers zou superlubriciteit op de lange duur van pas kunnen komen in toekomstige machinerie op nanometerschaal, zoals minuscule pompjes die in de bloedbaan ter plekke medicijnen kunnen doseren. Nu kampen zulke `nanomachines' vaak met wrijving, waardoor ze vastlopen. Door oppervlaktestructuren uitgekiend ten opzichte van elkaar te oriënteren is het misschien mogelijk om wrijving te minimaliseren.