Wanneer de motor van een auto niet goed is gesmeerd, het kan een grote aanslag zijn op de portemonnee en het milieu.

Voor de gemiddelde auto 15 procent van het brandstofverbruik wordt besteed aan het overwinnen van wrijving in de motor en transmissie. Als de wrijving hoog is, tandwielen moeten harder werken om te bewegen. Dit betekent dat de auto meer brandstof verbrandt en meer koolstofdioxide in de atmosfeer uitstoot.

"Elk jaar, miljoenen tonnen brandstof worden verspild door wrijving, " zei Jiaxing Huang, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan de McCormick School of Engineering van de Northwestern University. "Het is een serieus probleem."

Hoewel olie deze wrijving helpt verminderen, mensen hebben lang gezocht naar additieven die de prestaties van olie verbeteren. Huang en zijn medewerkers ontdekten dat gekreukte grafeenballen een veelbelovend smeermiddeladditief zijn. In een reeks testen, olie gemodificeerd met verfrommelde grafeenballen presteerde 15 procent beter dan sommige commerciële smeermiddelen, zowel in termen van vermindering van wrijving als de mate van slijtage op stalen oppervlakken.

Ondersteund door het Office of Naval Research, het onderzoek van het team wordt beschreven in een artikel dat op 25 januari online is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Xuan Dou, een afgestudeerde student in het laboratorium van Huang, is de eerste auteur van de krant. Yip-Wah Chung van Northwestern Engineering, hoogleraar materiaalkunde en techniek, en Q. Jane Wang, hoogleraar werktuigbouwkunde, zijn ook auteurs op het papier.

Ongeveer vijf jaar geleden, Huang ontdekte verfrommelde grafeenballen - een nieuw type ultrafijne deeltjes die lijken op verfrommelde papieren ballen. De deeltjes worden gemaakt door kleine waterdruppeltjes met op grafeen gebaseerde vellen erin te drogen. "Capillaire kracht gegenereerd door de verdamping van water verfrommelt de vellen tot geminiaturiseerde papieren ballen, "Zei Huang. "Net zoals hoe we een stuk papier verfrommelen met onze handen."

Kort na het doen van deze ontdekking, Huang legde het uit aan Chung tijdens een lunch in Hong Kong door een servet te verfrommelen en ermee te jongleren. "Toen de bal op de tafel belandde, het rolde, " herinnerde Chung zich. "Het deed me denken aan kogellagers die tussen oppervlakken rollen om wrijving te verminderen."

Dat "a-ha!" moment leidde tot een samenwerking tussen de twee professoren en Wang, die bezig was met het bewerken van een nieuwe Encyclopedia of Tribology met Chung.

nanodeeltjes, in het bijzonder koolstof nanodeeltjes, eerder zijn onderzocht om de smering van olie te helpen verhogen. de deeltjes, echter, dispergeren niet goed in olie en hebben in plaats daarvan de neiging om samen te klonteren, waardoor ze minder effectief zijn voor smering. De deeltjes kunnen vastlopen tussen de oppervlakken van de tandwielen en ernstige aggregatie veroorzaken die wrijving en slijtage verhoogt. Om dit probleem op te lossen, eerdere onderzoekers hebben de deeltjes gemodificeerd met extra chemicaliën, oppervlakteactieve stoffen genoemd, om ze uiteen te laten vallen. Maar dit lost het probleem nog niet helemaal op.

"Onder wrijving, de oppervlakteactieve moleculen kunnen afwrijven en ontleden, " zei Chung. "Als dat gebeurt, de deeltjes klonteren weer samen."

Door hun unieke vorm, verfrommelde grafeenballen verspreiden zichzelf zonder oppervlakteactieve stoffen die door olie worden aangetrokken. Met hun puntige oppervlakken, ze kunnen geen nauw contact maken met de andere grafeenballen. Zelfs als ze samengeknepen zijn, ze gaan gemakkelijk weer uit elkaar als ze gestoord worden.

Huang en zijn team ontdekten ook dat de prestaties van verfrommelde grafeenballen niet gevoelig zijn voor hun concentraties in de olie. "Een paar zijn al voldoende, en als u de concentratie 10 keer verhoogt, prestaties zijn ongeveer hetzelfde, " zei Huang. "Voor alle andere koolstofadditieven, dergelijke prestaties zijn erg gevoelig voor concentratie. Je moet de goede plek vinden."

"Het probleem met het vinden van een goede plek is dat, tijdens operatie, de lokale concentratie van deeltjes in de buurt van de te smeren oppervlakken kan fluctueren, " voegde Wang toe. "Dit leidt tot onstabiele prestaties voor de meeste andere additieve deeltjes."

Volgende, het team is van plan om het extra voordeel van het gebruik van verfrommelde grafeenballen in olie te onderzoeken:ze kunnen ook als dragers worden gebruikt. Omdat de balachtige deeltjes een groot oppervlak en open ruimtes hebben, het zijn goede dragers voor materialen met andere functies, zoals corrosieremming.