Joost Frenken met ERC Grant op weg naar superglibberigheid
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. Dankzij een Advanced ERC Grant van 2,5 miljoen euro
, kan hij dit onderzoek nu in een stroomversnelling brengen.
Heilige graal
Superlubricity, vrij vertaald als âsuperglibberigheidâ, 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 trucendoos
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 àls het werkt, kunnen we meteen octrooi
aanvragen en kunnen anderen er een product van maken.'
Universiteit Leiden