Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Onderzoeksproject

Science Friction (SciFri)

Hoe kan wrijving op de nanoschaal gereduceerd worden?

Contact Joost Frenken
Financiering ERC Advanced GrantERC Advanced Grant

Wrijving zet nuttige energie om in nutteloze warmte, en vermorst zo minstens 5 procent van alle welvaart in de wereld. Fysicus Joost Frenken wil wrijving tot vrijwel nul reduceren met nanostructuren op basis van grafeen. 

Heilige graal

Superlubricity, vrij vertaald als ‘superglibberigheid’, is de heilige graal in het materiaalonderzoek, stelt 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 maar circa honderd atomen groot zijn, bijna wrijvingsloos over elkaar 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.

Opschalen

De grote uitdaging is echter om dit verschijnsel op te schalen. Al bij contactvlakken van duizend atomen gaat het 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 over met de superglibberigheid.

Grotere trukendoos

Een voor de hand liggende truc om ook grotere oppervlakken wrijvingloos te maken: zorg 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 Grant kan gaan uitdiepen: 'We gaan het begrip van de fundamentele processen vergroten en de trucendoos uitbreiden.'

Meer onderzoekers

De Grant 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. Bijvoorbeeld speciale Atomic Force Microscopy (AFM) en Friction Force Microscopy (FFM) instrumentatie.

Spannend en fundamenteel

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.'