Обычно, когда заходит речь о графене, сразу возникают ассоциации с чем-то микроскопическим, невидимым невооруженным взглядом, и, пока что, не имеющим какого-либо практического применения за пределами лабораторий. Такое впечатление усиливается после прочтения новостей о последних «прикладных» открытиях — будь то «самый тонкий двигатель», или «самый тонкий и гибкий транзистор». Однако, помимо таких хоть и полезных, но (пока) далеких от реальной жизни применений, есть области, где графен может применяться прямо сейчас, причем в макроскопическом масштабе. Одна из них — трибология.

Сначала — несколько слов о трибологии вообще, и об измерении трибологических свойств, в частности. Если официально, то трибология — это наука о трении и износе, объект исследования которой — пара тел, находящихся в механическом контакте, и двигающихся относительно друг друга. Вообще, если задуматься, то трение — это, наверное, второе по важности физическое явление, после гравитации. Попробуйте посидеть на стуле без трения. Нет, вы сначала до него дойдите!

Два основных осязаемых трибологических параметра — это коэффициенты трения и износа. С коэффициентом трения все просто — это отношение силы трения к силе, с которой тела прижимаются друг к другу. Впервые я познакомился с этой величиной классе, наверное, в седьмом, на лабораторках по физике. Помните, с помощью пружинного динамометра тянули один деревянный брусок по другому и мерили эту самую силу трения? Про износ тогда никто не упоминал по понятным причинам — измерять его было несколько проблематично. Коэффициент износа — это соотношение объема вещества, которое безвозвратно отделилось от тела в процессе трения, к расстоянию скольжения. Простейший пример — кирпич царапается гвоздем. Отношение объема образовавшейся крошки к длине царапины и будет коэффициентом износа.

В современной лаборатории принцип измерения трибологических характеристик практически не отличается от школьной лабораторки. Простенький прибор для измерения трения может выглядеть вот так:

Цветными рамками обведены основные компоненты: 1) Вертикальный актуатор, служит для перемещения измерительной головки вверх-вниз (нужно для контроля нормальной силы) 2) Измерительная головка (датчик силы трения) к ней прикреплена пружинная балка с шариком на конце (3). Исследуемый образец (4) приклеен к столику, который установлен на датчике нормальной силы. Все это ездит туда-сюда вдоль оси X по рельсу, который стоит на тумбочке стоящей возле моего стола))) В правом верхнем углу виден модуль АЦП от National Instruments, который обрабатывает сигнал с датчиков. Оба актуатора на шаговых двигателях. Управляется все самописным софтом под Windows.

Белый шарик на конце балки имеет диаметр 1 мм, сделан из оксида циркония. Образец, в данном случае, кремниевая пластина 10×10 мм2. Если начать двигать измерительную головку вниз, то шарик прикоснется к поверхности образца, а при дальнейшем движении начнет давить на нее с силой, которая зависит от упругости подвеса и степени его деформации. Обычно, 1 мм соответствует 10 миллиньютонам. Точная величина измеряется нижним датчиком.

Если задать возвратно-поступательное движение нижней каретки, и подождать, скажем, 10 минут, то на поверхности нашего образца мы увидим такую картину (слева — вид сверху, справа — трехмерное изображение центральной части; длина трека — 2 мм):

«О боже, все пропало!» Ну или «мы его протерли!». При этом зависимость коэффициента трения от количества циклов будет выглядеть так:

А теперь возвращаемся к графену. Если каким-либо образом нанести на кремний графен, то картина изменится кардинально! При тех же самых параметрах теста, мы не увидим никаких следов износа на поверхности образца, при этом кривая коэффициента трения будет выглядеть так:

Т.е. не смотря на то, что слой графена имеет толщину меньше нанометра, и мы елозим по нему миллиметровым шариком, он все равно не рвется. Вот это прочность! «Стоп!» скажет внимательный читатель. Обещали же практическое применение! А где вы видели плоский кремниевый подшипник? Правильно, нигде. Но, к счастью, на кремнии свет клином не сошелся. Более того, графен на кремнии — это результат переноса его с меди, на которой он выращивается, и это уже более интересно.

Существует два основных способа производства графена. Первый — механическая эксфолиация. Нам она не интересна, поскольку не позволяет получить покрытие большой площади (более нескольких миллиметров). Второй способ — химическое нанесение из газовой фазы (Chemical Vapour Deposition, CVD). В этом методе, медная подложка помещается в печь и нагревается до температуры около 1000 градусов цельсия. Затем печь продувается чистым водородом для восстановления поверхностных окислов, и заполняется метаном. При высокой температуре метан разлагается, образуя углеродную (графеновую) пленку на поверхности меди, которая выступает в роли катализатора. Количество слоев графена зависит от концентрации метана и времени выдержки, обчно это 5–20 минут. После этого подложку медленно охлаждают в инертной атмосфере. В результате мы получаем кусок меди, равномерно покрытый графеном. И как же у него обстоят дела с трением? Да замечательно!

На этом рисунке показаны коэффициенты трения для чистой меди, а также двух кусков меди, покрытых графеном разной толщины (время выдержки в метане 5 и 20 минут):

Как видно, чистая медь сдается сразу. А вот «толстый» графен (5 слоев) увеличивает время жизни в десять раз! При этом поверхность меди все-же деформируется, и образуется «канал», повторяющий форму шарика (слева чистая медь, справа графен):

Но не смотря на деформацию поверхности, графен препятствует формированию задиров, что удерживает коэффициент трения на низком уровне.

Тем не менее, под давлением все разрушается, и графен не исключение. На предыдущем рисунке этот момент обозначен как «critical failure point». После определенного количества циклов, коэффициент трения начинает расти, хотя и остается ниже, чем для чистой меди. И вызвано это не отслоением графена и обнажением поверхности меди, как можно было бы подумать («надо же, протерли насквозь»). Нет, графен остается на месте, но меняет свою структуру. Верхние слои разрушаются, становясь аморфными, а аморфный углерод имеет более высокий коэффициент трения. Тем не менее, графен продолжает служить, защищая поверхность меди от окисления.

Осталось сделать медный вкладыш для подшипника, покрыть его графеном, и вуалая! Сухая наносмазка готова. Кстати, если нанести графен еще и на сами шарики, то результат будет феноменальным. Но об этом — в следующий раз.

Ссылки:

[1] M.S. Won, O.V. Penkov, D.E. Kim. Durability and degradation mechanism of graphene coatings deposited on Cu substrates under dry contact sliding. Carbon 54, pp. 472–481, 2013.

[2] O.V. Penkov, H.J. Kim, H.J. Kim, D.E. Kim. Tribology of Graphene: A Review. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing 15, pp. 1–9, 2014.