Smering meet de vermindering van mechanische wrijving en slijtage door een smeermiddel. Dit zijn de belangrijkste oorzaken van uitval van componenten en energieverlies in mechanische en elektromechanische systemen. Bijvoorbeeld, een derde van de op brandstof gebaseerde energie in voertuigen wordt besteed aan het overwinnen van wrijving. Dus supersmering - de toestand van ultralage wrijving en slijtage - is veelbelovend voor de vermindering van wrijvingsslijtage in mechanische en automatische apparaten.

Uit een nieuwe gezamenlijke studie van de Universiteit van Tel Aviv/Tsinghua Universiteit blijkt dat robuuste structurele supersmering kan worden bereikt tussen ongelijke, op microschaal gelaagde materialen onder hoge externe belastingen en omgevingscondities. De onderzoekers ontdekten dat interfaces op microschaal tussen grafiet en hexagonaal boornitride ultra-lage wrijving en slijtage vertonen. Dit is een belangrijke mijlpaal voor toekomstige technologische toepassingen in de ruimte, auto, elektronica en medische industrie.

Het onderzoek is het resultaat van een samenwerking tussen Prof. Oded Hod en Prof. Michael Urbakh van TAU's School of Chemistry; en prof. Ming Ma en prof. Quanshui Zheng van de afdeling Werktuigbouwkunde van Tsinghua University en hun collega's. Het werd uitgevoerd onder auspiciën van het gezamenlijke TAU-Tsinghua collaboratieve XIN Center en werd gepubliceerd in Natuurmaterialen op 30 juli.

Enorme implicaties voor computer en andere apparaten

De nieuwe interface is zes orden van grootte groter in oppervlakte dan eerdere metingen op nanoschaal en vertoont een robuuste supersmering in alle grensvlakoriëntaties en onder omgevingsomstandigheden.

"Superlubricity is een zeer intrigerend natuurkundig fenomeen, een toestand van praktisch nul of ultralage wrijving tussen twee contactoppervlakken, " zegt Prof. Hod. "De praktische implicaties van het bereiken van robuuste supersmering in macroscopische afmetingen zijn enorm. De verwachte energiebesparing en slijtagepreventie zijn enorm."

"Deze ontdekking kan leiden tot een nieuwe generatie harde schijven voor computers met een hogere dichtheid van opgeslagen informatie en een hogere snelheid van informatieoverdracht, bijvoorbeeld, " voegt prof. Urbakh toe. "Dit kan ook worden gebruikt in een nieuwe generatie kogellagers om rotatiewrijving te verminderen en radiale en axiale belastingen te ondersteunen. Hun energieverliezen en slijtage zullen aanzienlijk lager zijn dan bij bestaande apparaten."

Het experimentele deel van het onderzoek werd uitgevoerd met behulp van atomic force microscopen bij Tsinghua en de volledig atomistische computersimulaties werden voltooid bij TAU. De onderzoekers karakteriseerden ook de mate van kristalliniteit van de grafietoppervlakken door spectroscopiemetingen uit te voeren.

Nauwe samenwerking

De studie kwam voort uit een eerdere voorspelling door theoretische en computationele groepen bij TAU dat robuuste structurele superlubriteit zou kunnen worden bereikt door interfaces te vormen tussen de materialen grafeen en hexagonaal boornitride. "Deze twee materialen zijn momenteel in het nieuws na de Nobelprijs voor de Natuurkunde van 2010, die werd toegekend voor baanbrekende experimenten met het tweedimensionale materiaal grafeen. Superlubricity is een van hun meest veelbelovende praktische toepassingen, " zegt prof. Hod.

"Onze studie is een nauwe samenwerking tussen TAU theoretische en computationele groepen en Tsinghua's experimentele groep, " zegt prof. Urbakh. "Er is een synergetische samenwerking tussen de groepen. Theorie en berekeningen voeden laboratoriumexperimenten die, beurtelings, zorgen voor belangrijke realisaties en waardevolle resultaten die kunnen worden gerationaliseerd via de computationele studies om de theorie te verfijnen."

De onderzoeksgroepen blijven op dit gebied samenwerken om de fundamenten van supersmering te bestuderen, zijn uitgebreide toepassingen en zijn effect in steeds grotere interfaces.