Grafen - det atomtynde lag af kulstofatomer har meget høj brudstyrke og stivhed, men klistrer sig til ru overflade akkurat som væsker.

Nu har jeg i en tidligere blog beskyldt grafen for at være supersmørende - det glatteste materiale man kender. Her omtalte jeg små grafen stykker, der kunne glide på overflader af grafit med en friktion så lav, at den ikke kunne måles selv med meget følsomt udstyr. Denne effekt gør at grafit kan bruges som et tørt smøremiddel i industrien. Man forestiller sig også at grafen - de tynde lag grafit består af - kan bruges til at lave mikro og nanomekanik, der ikke slider sig selv i stykker på grund af friktion.

Men nu bliver det underligt.
Jeg så lige en artikel i Nature Nanotechnology, hvor grafen så bliver hængt ud som alle tiders mest klistrede materiale.

(Ultrastrong adhesion of graphene membranes, Koenig et al, Nature Nanotechnology 6, 543–546 (2011, doi:10.1038/nnano.2011.123)

Figuren viser flere ting end jeg vil forklare her. Målingerne er lavet ved at lægge grafen ovenpå en overflade med huller i, hvor en smule luft bliver fanget. Når lufttrykket sænkes udenfor, får trykforskellen grafenen til at bule op. Ved at måle størrelsen af disse grafen-blærer, kan de så beregne hvor stor vedhæftningen til overfladen er - en stor blære betyder lille vedhæftning, og en lille blære betyder stor vedhæftning.

Almindelige faste stoffer nærmest ligger ovenpå de fremspring som selv spejlglatte overflader har på nanoskala, som vist på tegningen nedenfor. I virkeligheden kan man sige at almindelige (tørre) ting nærmest ikke rører ved hinanden, kun i nogle få punkter. Og det skal vi være glade for. De ganske svage van der Waals kræfter, kan nemlig godt blive til noget stort hvis de virker mellem alle atomerne i en grænseflade, og ikke som vist nedenfor - kun de få steder fremspringene rører hinanden.

Og her er det at det ellers så fantastisk glatte grafen kan noget andet. På trods af den diamantlignende stivhed, er det i kraft af sin ekstremt lille tykkelse (eller "store tyndhed"?) på kun 0.3 nm, helt ude af stand til at modstå fristelsen for at bugte og bøje sig, så det ligger som en film på en overflade, uanset om denne så er ru eller glat.


Man kan sige at grafenen opfører sig som en slags "tør" maling. Medmindre overfladen har en meget voldsom ruhed, vil grafenen opnå et abnormt højt kontaktområde. Dens vedhæftningsenergi - den energi der skal til for at trække det fri fra overfladen per areal - bliver større end andre faste stoffer.




Vedhæftningsenergien kommer ifølge forfatterne til artiklen "Ultrastrong adhesion of graphene" på højde med væsker, der jo også kan tilpasse sig fremspringene på overfladen. Ligesom for væsker må der så gælde, at hvis fremspringene bliver for voldsomme, kommer der lufthuller - og dette må så nedsætte vedhæftningen - det man kalder lotus effekten.


Jeg ved ikke hvad dette kan bruges til - men det betyder at grafenen vil kunne klistre sig til enhver overflade - selv den mest neutrale og hydrofobe - fordi van der Waals kræfterne altid virker, for alle stoffer.

Van der Waals kræfterne har i al væsentlighed tre komponter som alle har med dipolvekselvirkninger at gøre, men kun en af dem virker for alle stoffer. For eksempel er vandmolekyler polære på grund af permanente elektronforskydninger i molekylet, og tiltrækkes altid til hinanden - og mange andre molekyler.

Men van der Waals kræfternes vigtigste komponent er dispersionskræfterne, som skyldes at elektronerne i kraft af deres bevægelser "rundt om" atomkernene giver små ladningsforskydninger, der kan vekselvirke med andre atomers tilsvarende ladningsforskydninger –- dette giver en netto tiltrækningskraft som alle stoffer uden undtagelse mærker, uanset om de polære eller ej.



Derfor vil grafenens "strategi" - at tilpasse sig de mindste bump i overfladen - gøre grafenen vil sidde rigtigt godt fast på alle overflader, uanset hvor teflonagtige de er.
Hvordan hænger det så sammen med supersmøre-egenskaberne?
Nå - jeg har vist brugt min taletid :)