In een recent artikel in wetenschappelijke vooruitgang , onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam presenteren nieuw experimenteel inzicht in hoe smering werkt. Ze hebben een nieuwe methode ontwikkeld om met fluorescerende moleculen nanometrische smeerfilms direct waar te nemen met een gevoeligheid van een enkele moleculaire laag. Hun kwantitatieve beschrijving van de relatie tussen topografie, contactdruk en smering geeft een dieper begrip van smering.

Wrijving en slijtage zijn verantwoordelijk voor een groot deel van het wereldwijde energieverbruik en dragen daardoor enorm bij aan de uitstoot van broeikasgassen. Letterlijk elk bewegend object dissipeert energie door wrijving. Voorbeelden met grote economische impact zijn te vinden in de transport- en energiesector:denk aan een verbrandingsmotor of een gasturbine.

Om wrijving en slijtage te verminderen, schuif- en rolcontacten worden doorgaans gesmeerd. Bijvoorbeeld, in een verbrandingsmotor, de motorolie werkt als smeermiddel, het voorkomen van vast-op-vast contact tussen de zuigerveer en de cilinderwand, het verminderen van wrijving en slijtage op deze interface.

Dunnere smeermiddellagen

In het algemeen, er is een trend naar dunnere smeerlagen door steeds strengere eisen aan materiaalgebruik, eisen voor een hogere efficiëntie, en een behoefte aan "groenere" smeermiddelen. Onder deze voorwaarden, de succesvolle smering en de veilige werking op lange termijn is steeds gevoeliger voor de topografie van de gesmeerde oppervlakken. Hoewel veel studies in techniek en natuurkunde hebben geleid tot een hoog niveau van begrip van smering, op de kleine schaal waar lagen opbreken, zijn belangrijke vragen vooralsnog onbeantwoord. Een belangrijke ontbrekende schakel is een gedetailleerd experimenteel inzicht in de invloed van de specifieke kenmerken van de oppervlaktetopografie op de overgang tussen verschillende smeerregimes. Vooral, er is veel discussie over de verschijnselen die optreden wanneer de dikte van de smeerfilm slechts enkele moleculen beslaat.

Koppeling van oppervlaktetopografie aan smeerverschijnselen

Fundamentele studies, bijvoorbeeld op wrijvingskrachten met behulp van Atomic Force Microscopy, enig inzicht hebben gegeven. Echter, aangezien deze de microscopische schaal betreffen, hun relevantie voor macroscopische verschijnselen is beperkt. Anderzijds, het bestuderen van de wisselwerking tussen smering en oppervlaktetopografie op macroscopische schaal is een grote uitdaging, aangezien de smeerlaag tussen twee vaste stoffen is begraven en daarom experimenteel moeilijk toegankelijk is.

In hun krant in wetenschappelijke vooruitgang , de onderzoekers presenteren nu de resultaten van een nieuwe aanpak die fundamenteel onderzoek op macroscopisch niveau met zeer hoge resolutie mogelijk maakt, het koppelen van oppervlaktetopografie aan smeerverschijnselen. Het onderzoek is uitgevoerd aan het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) en het Institute of Physics (IOP) van de Universiteit van Amsterdam. Onderzoekers van het Dutch Advanced Research Centre for Nanolithography (ARCNL), Universiteit Twente (Enschede, Nederland) en de Université Paris-Saclay (Parijs, Frankrijk) hebben meegewerkt aan het onderzoek.

Fluorescerende moleculaire sondes

Bij de ARCNL Contact Dynamics groep van Dr. Bart Weber, de focus ligt op fundamentele aspecten van wrijving en slijtage die relevant zijn voor positioneringsproblemen in nanolithografie. Voor het onderzoek dat nu is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , de groep heeft de krachten gebundeld met prof.dr. Fred Brouwer en prof.dr. Daniel Bonn van de Universiteit van Amsterdam, waar eerste auteur Dr. Dina Petrova haar Ph.D. eerder dit jaar.

De onderzoekers voerden wrijvingsexperimenten uit met een heel speciaal glijmiddel, uitgevonden door de Franse co-auteurs Dr. Clémence Allain en prof. Pierre Audebert:een pure vloeistof die bestaat uit fluorescerende moleculen. Door transparant te smeren, glas-op-glas contacten met deze vloeistof, de onderzoekers konden de smeerfilm van slechts enkele moleculen dik direct visualiseren. Na excitatie van de fluorescerende vloeistof door het glas, ze maten de lokale fluorescentie-intensiteit die evenredig is met het aantal moleculen dat aanwezig is op het grensvlak. De experimentele resultaten werden vergeleken met theoretische voorspellingen die mede ontwikkeld zijn door prof. Kees Venner van de Universiteit Twente.

Glasovergang

Door de relatie tussen de oppervlaktetopografie kwantitatief te analyseren, de smeermiddelfilmdikte en de wrijving, de onderzoekers laten zien dat opsluiting van het smeermiddel tussen de glijvlakken leidt tot een glasovergang, wat betekent dat de vloeistof zeer viskeus wordt en dus niet uit het grensvlak wordt geperst.

Echter, de verhoogde viscositeit is niet altijd voldoende om uitpersen te voorkomen. Op de interface, er is concurrentie tussen de druk en de viscositeit van het smeermiddel. De grensvlakdruk hangt af van het dragende gebied dat wordt geregeld door de oppervlaktetopografie:hoe ruwer de twee oppervlakken, hoe kleiner het (potentiële) contactoppervlak. Dankzij hun experimentele opstelling, konden de onderzoekers deze relatie tussen topografie, contactdruk en smering. De resultaten geven dus een dieper inzicht in hoe smering werkt en kunnen helpen bij het voorspellen van het wrijvingsgedrag in een veelheid aan gesmeerde systemen met grote maatschappelijke impact.