Prof. Dr. Michael Moseler

Graphen ist ein ausgezeichnetes Schmiermittel aufgrund der relevanten Eigenschaften zweidimensionaler Materialien: starke Bindungen in der Ebene führen zu hoher Festigkeit und Verschleißfestigkeit. Schwache Wechselwirkungen außerhalb der Ebene sorgen für chemische Inertheit und leichte Scherbarkeit.

Die hervorragenden tribologischen Eigenschaften von Graphen wurden in vielen Experimenten bestätigt, bei denen Graphen als Additiv in flüssigen Schmiermitteln, als Festschmierstoff, Festschmierstoffbeschichtung oder bei Flach-auf-Flach-Kontakten eingesetzt wurde, wo strukturelle Schmierfähigkeit zu sehr geringer Reibung führt. So weist z.B. epitaktisches Graphen auf SiC(0001) aufgrund seiner schwachen Wechselwirkungen mit Gegenkörpern eine sehr geringe Reibung auf. Reibungskraftmikroskopie mit Siliziumspitzen zeigt jedoch einen abrupten Anstieg der Reibung um eine Größenordnung oberhalb eines Schwellenwerts in der Normalkraft, so dass die Reibvorteile von Graphen verloren gehen.

Am MikroTribologie Centrum µTC wurden dichtefunktionalbasierte Tight-Binding-Simulationen durchgeführt, die darauf hindeuten, dass diese hohe Reibung auf einer intermittierenden sp3-Rehybridisierung von Graphen bei einem Kontaktdruck von über 10 GPa beruht (vgl. Abbildung). Gleichzeitig kommt es zur Bildung kovalenter Bindungen mit der Siliziumdioxidoberfläche der Spitze und der darunter liegenden SiC-Grenzschicht, wodurch das ganze System beim Reiben plastisch deformiert werden muss, was die hohe Reibung erklärt. 

_{[1] Szczefanowicz, B.; Kuwahara, T.; Filleter, T.; Klemenz, A.; Mayrhofer, L.; Bennewitz,  R.; Moseler, M., Formation of intermittent covalent bonds at high contact pressure limits superlow friction on epitaxial graphene, Physical Review Research 5/1 (2023) Art. L012049, 7 Seiten Link}

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