抵抗は無意味：グラフェンが摩擦の謎を解く

摩擦のようにどこにでもある現象が十分に理解されていないというのは少し奇妙に思えるかもしれませんが、それは事実です。マクロレベルでは、物理学者やエンジニアは摩擦とその影響を非常に正確にモデル化することができます。この詳細かつ明確な理解は、タイヤ、ブレーキ、その他摩擦に依存するデバイスの優れた設計に表れています。しかし、摩擦をミクロレベルで考察すると、私たちの理解は揺らぎます。ミクロレベルでは、原子や分子が互いに滑り合う現象について論じていることになります。では、この滑りはどのようにエネルギーを消散させるのでしょうか？

過去10年間、科学者たちは摩擦の根本的な原因を特定し始めてきました。そして今、Physical Review Letters誌に掲載された最近の研究では、滑らかな表面にグラフェン層を積み重ねると摩擦力がどのように変化するかを研究することで、その理解に新たな知見が加わりました。意外なことに、グラフェン層を単層と二重層の両方で、摩擦力がグラファイトよりも低下することがわかりました。グラファイトはグラフェンを複数層重ねただけのものであることを考えると、これは奇妙なことです。

摩擦を研究する上で大きな困難の一つは、表面間の相互作用の複雑さに対処することです。表面の特性を評価する際に影響する変数の数がどれほど多いか、そのイメージをつかんでいただくために、摩擦を理解しようとする研究者が自問自答しなければならない質問をいくつか挙げます。表面は滑らかか？結晶構造か、それとも表面に何らかの乱れがあるのか​​？接触面全体にわたって、各表面の化学的性質は同一か？

これらすべての疑問に答えが出ているにもかかわらず、表面が互いにどのように作用してエネルギーを消散させるかというメカニズムについては、まだ触れられていません。だからこそ、シンプルなシステムが非常に重要なのです。シンプルなシステムは、変数の数だけでなく、考えられるメカニズムの数も減らすことができるからです。研究者たちは、炭化ケイ素、グラフェン、ダイヤモンドの相互作用を研究することで、システムを可能な限り単純化しました。炭化ケイ素は硬い結晶材料であり、成長と操作によって、原子の欠損やその他の欠陥が極めて少ない、原子レベルで滑らかな表面を作り出すことができます。これは、摩擦を研究するための非常に優れた作業面を提供します。

研究者たちはこの表面に炭素を堆積させ、整然としたグラファイト層を形成しました。各層は整然と構造化されていますが、表面全体を覆っているわけではないため、顕微鏡写真ではテラス状の構造が連続しているように見えます。表面をスキャンしていくうちに、研究者たちは炭素原子が単層（グラフェンと呼ばれる）しか存在しない箇所を見つけることができました。また、他の箇所では炭素原子が2層しか存在せず、グラフェン二重層と呼ばれています。 

表面の摩擦を測定するため、研究者たちはダイヤモンドコーティングされた先端を表面上で引っ張るのに必要な力を測定した。その結果、単層の炭素が炭化ケイ素表面の摩擦を2分の1に低減し、二重層グラフェンがさらに摩擦を2分の1に低減することを発見した。不思議なことに、単層グラフェンと二重層グラフェンの両方がグラファイトよりも摩擦が低かった。

一見すると、グラフェン層を重ねるにつれて、摩擦はコーティングされていない炭化ケイ素の値とグラファイトの値の間で、途中で最小値や最大値を経験することなく推移すると予想される。しかし、なぜそうならないのかを理解するため、研究者たちは再び実験を行った。今回はサンプルに異なる色の光を照射した。実験中、サンプルから放出される電子の方向と数を観察した。これにより、電子のエネルギーと、それが滑り運動によってどのように影響を受けるかが明らかになった。 

研究者たちは、測定された出力エネルギーが入射エネルギーと同じではない相互作用である非弾性散乱の発生源を探していました。これらを特定することで、研究者は滑り運動がグラフェンとその下の炭化ケイ素を加熱するメカニズムを特定することができます。