Terwijl NASA's Mars Perseverance Rover het oppervlak van Mars blijft verkennen, wetenschappers op aarde hebben een nieuw metaalcarbide op nanoschaal ontwikkeld dat zou kunnen werken als een "supersmeermiddel" om slijtage van toekomstige rovers te verminderen.

Onderzoekers van de scheikundeafdeling van de Missouri University of Science and Technology en het Center for Nanoscale Materials van het Argonne National Laboratory, werken met een klasse van tweedimensionale nanomaterialen bekend als MXenes, hebben ontdekt dat de materialen goed werken om wrijving te verminderen. De materialen zouden ook beter moeten presteren dan conventionele smeermiddelen op oliebasis in extreme omgevingen, zegt Dr. Vadym Mochalin, universitair hoofddocent chemie bij Missouri S&T, wie het onderzoek leidt.

"Deze superlubrische materialen zijn van bijzonder belang voor geavanceerde antislijtage- en smeringstoepassingen in extreme omstandigheden, zoals die nu ervaren door de Perseverance rover op Mars, " zegt Mochalin. Hij en zijn collega's beschrijven hun ontdekking in een paper gepubliceerd in de maart 2021-editie van het tijdschrift Materialen die vandaag vooruitgaan ("Superlubriciteit bereiken met 2D-overgangsmetaalcarbiden (MXenen) en MXene/grafeencoatings").

Mochalin zegt dat hij het verband heeft gelegd tussen dit onderzoek en de reis van Perseverance naar Mars na het zien van de landing van de rover.

"Toen ik de landing van de rover op Mars zag, Ik dacht:"Wat als het smeermiddel in een van zijn wielen faalt? Toen maakte ik de verbinding met ons werk aan MXenes, omdat het me te binnen schoot dat we zojuist hebben ontdekt dat MXenen supersmering vertonen in een atmosfeer zonder zuurstof en vochtigheid, dicht bij wat er op Mars is, ' zegt Mochalin.

MXenen (uitgesproken als Maxines) zijn metaalcarbidematerialen met ongebruikelijke eigenschappen. Bijvoorbeeld, hun vermogen om elektriciteit te geleiden maakt ze geschikt voor gebruik in energieopslag, detectie en opto-elektronica. In deze laatste studie van de materialen, Mochalin en zijn team voerden een reeks tests uit om te bepalen hoe goed ze werken als vastestofsmeermiddelen met bepaalde materialen.

De onderzoekers voerden ball-on-disk wrijvingstests uit op nanometerschaal door een titaniumcarbide MXene af te zetten op een siliciumsubstraat (de schijf) dat was bedekt met een dunne laag silica, dat is het belangrijkste ingrediënt van zand. Vervolgens testten ze het vermogen van de MXene om slijtage te weerstaan ​​door hem tegen een diamantachtige, met koolstof gecoate stalen bal te schuiven. Ze voerden deze tests uit in een droge stikstofomgeving, wat de luchtvochtigheid sterk vermindert.

Mochalin zegt dat uit de tests bleek dat de MXene-interface tussen de stalen kogel en de met silica gecoate schijf resulteerde in een wrijvingscoëfficiënt in het "superlubrische regime" van 0,0067 tot 0,0017. Wrijvingscoëfficiënt verwijst naar de hoeveelheid wrijving tussen twee objecten en wordt bepaald door een waarde die meestal tussen 0 en 1 ligt. Hoe lager de waarde, hoe minder wrijving.

Toen het team grafeen toevoegde aan de titanium karabijn MXene, de resultaten waren nog beter. Het toevoegen van grafeen "verlaagde de wrijving met 37,3% en de slijtage met een factor 2" zonder de supersmeereigenschappen van de MXene aan te tasten, schrijven de onderzoekers in hun paper.

"Deze resultaten openen nieuwe mogelijkheden voor het verkennen van de familie van MXenen in verschillende tribologische toepassingen, " schrijven Mochalin en zijn collega's. Tribologie is de studie van wrijving, slijtage en smering van op elkaar inwerkende oppervlakken.

Nuchtere voordelen

Hoewel dergelijke supersmeermiddelen nuttig kunnen zijn voor machines in buitenaardse omgevingen - van Mars-rovers tot asteroïde mijnbouwapparatuur - kunnen ze ook meer nuchtere voordelen hebben. In tegenstelling tot smeermiddelen op oliebasis, MXenes zou niet afhankelijk zijn van niet-hernieuwbare energiebronnen zoals steenkool of aardolie, zegt Mochalin.