Ученые из Аргоннской национальной лаборатории создали «суперсмазку» на основе нано-свитков из графена. Исследователи продемонстрировали свой метод в эксперименте, получив исчезающе малые значения коэффициента сухого трения (0,004) между двумя макроскопическими поверхностями. Работа опубликована в Sciencexpress.

Графеновый подшипник между двумя поверхностями: MD-моделирование для объяснения результатов эксперимента D. Berman et al./ Science (2015)

По словам авторов, открытие графеновых нано-свитков произошло случайно. Изначально планировалось получить состояние «суперсмазки» (superlubricity), покрыв трущиеся поверхности «хлопьями» графена. Идея была в том, что между слоями графена существуют лишь очень слабые атомарные взаимодействия, поэтому трение на нано-масштабе должно было существенно уменьшиться.

В эксперименте действительно получились небольшие значения коэффициента сухого трения (0,04), но суперсмазки достичь так и не удалось. Авторы добавили в покрытие небольшое количество наночастиц алмаза, и состояние системы изменилось: после небольшого числа циклов трения значение коэффициента снижалось до 0,004.

Схема проведения эксперимента и образования графеновых свитков. D. Berman et al./ Science (2015)

При анализе поверхностей после эксперимента авторы обнаружили большое число графеновых «свитков», обернутых вокруг наночастиц алмаза. В последующих экспериментов эти наночастицы добавлялись в большем количестве, и ученые регулярно получали состояние суперсмазки на макромасштабах и для разных типов поверхности.

Для объяснения роли наночастиц алмаза ученые провели компьютерное моделирование методом молекулярной динамики и в результате также наблюдали образование графеновых свитков. Эти необычные структуры играли роль роликовых подшипников между двумя трущимися поверхностями, сводя трение к нулю.

Этот эффект наблюдался только в «сухом» эксперименте: при добавлении воды графен прилипал к поверхностям, свитки не образовывались, и трение оставалось значительным.

Авторы отмечают, что созданный ими метод обладает, как минимум, одним важным преимуществом: он подходит для макросистем. Ранее уже были опубликованы работы об эффекте суперсмазки, но его удавалось достичь лишь в очень специфичных условиях, чаще всего — для атомарно гладких поверхностей. В рамках нового метода требования к поверхностям не такие строгие, поэтому у суперсмазки есть потенциал применения за пределами стен лабораторий.