グラフェンによる超潤滑現象の観察とメカニズム解明に成功

ポイント

• 物質間の摩擦が非常に低い“超潤滑現象”を炭素薄膜（グラフェン）と金を用いて世界で初めて観察し、そのメカニズムを解明した。
• グラフェンを表面にコーティングすることにより、機械部品同士の摩擦を低く抑えられる技術の実現が期待できる。
• ナノ領域で部品間の摩擦力が極端に増すナノマシーンへの応用が期待される。

＜研究の背景と経緯＞

通常、物質と物質との接触面（界面）では表面にある双方の原子が柔軟に動いて位置合わせを行うため、強い吸着力が発生し、それが摩擦力となります。しかし、グラフェンは構成している炭素原子間の結合力が非常に高く、原子はほとんど動きません。このため、原子の位置合わせが行われず、界面で発生する吸着力は弱くなります。グラフェン表面コーティングはこの超潤滑現象を利用して、非常に小さな摩擦になると考えられています（図１）。このことから、グラフェンの表面コーティング技術は、エネルギー損失や機械部品の摩耗を抑える働きを持つ超薄膜の固体潤滑剤として、その実用化が期待されています。

グラフェンによる超潤滑現象を解明するためには、基板である物質とグラフェンとの界面でナノ（ナノは１０億分の１）メートルスケールでの摩擦特性を測定することが必要でした。この測定では、基板、グラフェンともにその原子構造や結晶面のならび方向（結晶方位）がわかった界面を用意することが重要ですが、今までは原子構造の明らかなグラフェンを基板表面上に配置することが困難でした。本研究では、グラフェンナノリボンを用いることによりこの問題点を回避できる事を見いだし、基板表面上に原子構造が明らかなグラフェンナノリボンを生成し、走査型トンネル顕微鏡^注１）・原子間力顕微鏡^注２）で直接挙動を確認することに成功しました。

＜研究の内容＞

研究グループは、極低温超高真空中で動作する走査型トンネル顕微鏡・原子間力顕微鏡システムを用いて、グラフェンナノリボンと基板となる清浄な金表面間に働く摩擦現象を測定し、そこに発生する超潤滑現象を解明する事に成功しました。溶液中で化学合成した前駆体^注３）分子を超高真空下で金の基板表面に蒸着し、更に多段階の化学反応を経て金基板表面上にグラフェンナノリボンを生成しました。その構造は、幅が炭素７つで一定であり、長さが１ナノメートルから５０ナノメートル程度です（図２Ｂ）。

走査型トンネル顕微鏡でのグラフェンナノリボン撮像において、試料（グラフェンナノリボン）が動かないように、探針と試料間距離を通常の測定に比べ１オングストローム（Å）（１Åは１００億分の１メートル）以上大きくしました。このことにより、探針と試料の相互作用が大変弱くなっているにも係わらず、試料であるグラフェンナノリボンがその長手方向に意図せず動くことを観察しました（図２Ａ）。これは、グラフェンナノリボンと金基板の間の摩擦力が大変低いことを示しています。その摩擦力を原子間力顕微鏡にて定量的に測定したところ、長さが２７ナノメートルのグラフェンナノリボンで、たった１０５ピコ（ピコは１兆分の１）ニュートンであることがわかりました（図３）。その構造では約１，０００個の炭素原子が金表面と接していることを考えると、驚くほど低い摩擦力です。室温では熱エネルギーがこの摩擦力に打ち勝ち動いてしまう程の小ささです。

また、さまざまな長さのグラフェンナノリボンに対して生ずる摩擦力を測定したところ、長さに比例して炭素原子１個あたりの摩擦力が低くなることがわかりました。これは、構造による超潤滑現象の典型的な現象を表しています。一方、数ナノメートルより短いグラフェンナノリボンでは、急に摩擦が大きくなることがわかりました。これは、長さが短いため、相互作用が大きくなるようにグラフェンナノリボンが回転し、金表面上の金原子との吸着の場所が変わるためです。

また、走査型トンネル顕微鏡の探針で長さ６．２８ナノメートルのグラフェンナノリボンの一端を拾上げ、長手方向に引きずる実験をおこないました（図４Ａ、Ｂ）。そのときの摩擦現象を原子間力顕微鏡の力センサー（周波数シフトにて観察）から検出しました（図４Ｃ）。その結果、金表面の金原子間距離に相当する０．２８ナノメートル周期で摩擦力が変化していることがわかりました。また、摩擦力を示す振幅が大きく変化することもわかりました。へリングボーン（にしんの骨）構造^注４）といわれる最密六方格子構造（ＨＣＰ）と面心立方格子構造（ＦＣＣ）に伴う金基板表面の凹凸変化の影響です。へリングボーン構造に伴う金表面の凹凸変化は、原子１個の大きさより小さい２０ピコメートルほどですが、摩擦現象に大きく影響を与えています。

そこで、実験で観察した摩擦現象が金結晶構造に依存していることを分子動力学法^注５）を用いて計算を行いました（図５）。へリングボーン構造が無いと仮定した平坦な金の表面上でグラフェンナノリボンを動かしたものは、金の原子間距離に相当する０．２８ナノメートルの周期の中に更に周期的な信号が２つ現れました（図５Ａ）。これは、グラフェンナノリボンが金の１つの格子間を移動する間に、合計３つの安定な場所（状態１、状態２、状態３：図５Ｂ内に図示）があることを示しています。一方、現実の系であるヘリングボーン構造がある金表面で同様の計算を行ったところ、グラフェンナノリボンは状態１と状態３のみの場所でとどまることがわかりました（図５Ｂ内に図示）。これは観測結果と一致しています。またヘリングボーン構造によって発生した結晶面の境界で摩擦力が大きくなることがわかりました（図５Ｃ,Ｄ）。これも観測結果と一致しています。このように、分子動力学法で求めたグラフェンナノリボンの動きは、グラフェンの超潤滑現象として一般的に受けいれられている解釈に完全に一致することがわかりました。

このような超潤滑現象を実験と分子動力学計算で明らかにしたことは、世界で初めてです。

＜今後の展開＞

本研究で解明した超潤滑現象を利用することにより、摩擦を極小に押さえ、摩擦によるエネルギー損失を押さえた界面の実現が可能となります。本研究で用いたグラフェンナノリボンのサイズアップを行うことによりグラフェン薄膜で表面をコーティングした固体潤滑剤が見込まれ、超低摩擦のマシーンで摩擦により発生する熱や磨耗を抑えたり、エネルギー損失を抑えた機械部品の実現などが期待できます。

＜付記＞

本研究は、ドレスデン工科大学　ベナッシ博士、スイス連邦材料試験研究所　ファーゼル教授、マックスプランク高分子研究所　ニューレン教授、バーゼル大学　メイヤー教授らと共同で行ったものです。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 走査型トンネル顕微鏡

走査型プローブ顕微鏡の一種であり、非常に先鋭な探針と試料表面間に流れるトンネル電流用いて、試料表面の凹凸像を得る装置。

注２） 原子間力顕微鏡

走査型プローブ顕微鏡の一種であり、非常に先鋭な探針と試料表面間に働く原子間力を用いて、試料表面の凹凸像を得る装置。

注３） 前駆体

化学における前駆体（ぜんくたい）とは、ある化学物質について、その物質が生成する前の段階の物質のことを指す。

注４） ヘリングボーン（にしんの骨）構造

金属の表面層と下層のバルク結晶層間の歪みエネルギーを緩和するためＨＣＰ（最密六方格子構造）とＦＣＣ（面心立方格子構造）が現れ、その配列がニシンの骨状を呈する構造。両者による凹凸が金属表面に現れる。

注５） 分子動力学法

コンピューターシミュレーションを用いて、原子や分子の間に働く力を計算することによりその動きを解明する手法。

＜論文タイトル＞

“Superlubricity of graphene nanoribbons on gold surfaces”
（金表面上でのグラフェンナノリボンの超潤滑）
doi ：10.1126/science.aad3569

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