Zeg vaarwel tegen de slogan "diamanten zijn voor altijd". Voor industrieën die droog smeermiddel gebruiken, de opkomende uitdrukking is waarschijnlijker "gebroken nanodiamanten zijn voor altijd".

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) combineren nanodiamanten met tweedimensionale molybdeendisulfidelagen en breken ze om een ​​zelfgenererend, droog smeermiddel met zeer lage wrijving dat zo lang meegaat dat het bijna kan worden verward met voor altijd. De stof kan honderden industriële toepassingen hebben en kan vrijwel overal worden gebruikt waar twee stukken metaal in droge omstandigheden tegen elkaar wrijven.

De meest gebruikte vaste smeermiddelen die momenteel op de markt zijn, hebben de vorm van grafietpasta. We gebruiken deze smeermiddelen om deurknoppen en fietskettingen te smeren, onder andere.

in 2015, Anirudha Sumant van de Nanoscience and Technology-divisie en zijn collega's bereikten een doorbraak in de technologie voor vaste smering door voor het eerst supersmering (bijna-nul wrijving) op technische schaal aan te tonen door grafeen te gebruiken in combinatie met nanodiamanten. Deze aanpak was revolutionair, en sindsdien heeft zijn groep de technologie verder ontwikkeld.

Meest recent, Sumant verving daarbij het grafeen door molybdeendisulfide, om te zien hoe andere 2D-materialen zich zouden gedragen. Hij verwachtte dat het proces zou lijken op het proces dat werd waargenomen met grafeen-nanodiamant-smeermiddel. Echter, het team was verrast toen Diana Berman, de hoofdauteur en Argonne postdoctoraal onderzoeker, kon geen nanodiamanten in het materiaal zien. In plaats daarvan, ze vond bolletjes ui-achtige koolstof.

Wat gebeurde er? Het molybdeendisulfide viel uiteen in molybdeen en zwavel en reageerde met de nanodiamanten om ze om te zetten in uienachtige koolstof.

"We wisten dat de boosdoener zwavel moest zijn die de nanodiamanten beschadigt, maar voor ons helpt het echt, ' zei Sumant.

Het Argonne-team, waaronder Sumant, Diana Berman, Subramanian Sankaranarayanan, Badri Narayanan, Mathew Cherukara, Ali Erdemir en Alexander Zinovev, besefte dat zwaveldiffusie de spanning in de nanodiamanten verhoogde, ze vervolgens breken en omzetten in ui-achtige koolstof.

Dit was een verhulde zegen, zei Sankaranarayanan, omdat hun inspanningen ook een ander geheim ontsloten van hoe andere 2D-materialen zullen interageren met nanodiamanten met hetzelfde resultaat.

De wrijving in deze nieuwe combinatie is 10 keer lager dan die van sommige antiaanbaklagen, waaronder fluorpolymeren, wat betekent minder warmte en minder slijtage aan onderdelen en apparatuur.

John Harvey, business development executive bij Argonne, zei dat hij al een aanzienlijke hoeveelheid interesse van de industrie in de technologie had, ook al is Sumants paper pas onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie . De studie is getiteld "Operando tribochemische vorming van uiachtige koolstof leidt tot supersmering op macroschaal."

"Het materiaal waarop het smeermiddel wordt gebruikt, gaat langer mee, en ik hoef me geen zorgen te maken over vloeibare resten en het weggooien van vette lappen als onderdeel van het opruimproces, Harvey zei. "We kunnen het ook gebruiken om onderdelen te maken die we vandaag niet kunnen maken, vooral met metalen stempelen."

Ui-achtige koolstof, wanneer gevormd, bestaat uit meerdere lagen bolvormige grafietschalen die als droog smeermiddel kunnen worden gebruikt. En het proces van het besprenkelen van molybdeendisulfide en nanodiamanten samen creëert automatisch deze vorm van koolstof, zonder enige extra chemische toepassing.

"Het is interessant om te zien dat deze koolstofballen een hoge contactdruk kunnen verdragen en, dankzij hun unieke nanostructuur, kan gemakkelijk glijden, het creëren van de supersmering, " zei Ali Erdemir, Argonne Distinguished Fellow en medewerker van dit onderzoek.

"We hebben nu ontdekt hoe we tijdens het glijden smeermiddelen kunnen genereren die veel langer meegaan dan andere vaste smeermiddelen, ' zei Sumant.

Hoewel molybdeendisulfide iets duurder is dan grafeen, in dit proces is minder nodig.

"Het bedrag is zo klein - een paar druppels voor kilometers glijden - dat de kosten geen probleem zijn, Sumant zei. De droge smeermethode is ook veel schoner in gebruik omdat er geen gevaarlijke chemicaliën worden weggegooid in dit proces, hij voegde toe.

Droge smeermiddelen zijn al gangbaar in verschillende industrieën. Echter, ze worden meestal gebruikt voor dunnefilmcoatings en zijn vatbaar voor catastrofale faalwijzen. Het door Argonne ontwikkelde supersmeermiddel werkt heel anders dan traditionele dunnefilmcoatings. Het zelfgenererende smeermiddel past zichzelf continu aan, dus het gaat langer mee.

"Dit vertegenwoordigt echt de volgende generatie vast smeermiddel, ' zei Sumant.

Mogelijke toepassingen zijn lagers en mechanische pompafdichtingen in droge toepassingen en in windturbines. De technologie kan ook worden gebruikt in de computerindustrie; specifiek, in magnetische schijfstations.

Argonne heeft al drie patenten op de superlubricity-technologie, met een patent aangevraagd op deze doorbraak, die binnenkort beschikbaar zal zijn voor licenties.

Sumant en Erdemir schreven samen een recente recensie in ACS Nano over de meest actuele superlubricity-technologieën en ontdekkingen in het veld. Dit wegwijzerartikel is misschien wel het eerste dat de huidige stand van zaken van het wereldwijde onderzoek naar superlubricity samenvat met behulp van tweedimensionale materialen zoals grafeen, hexagonaal boornitride en molybdeendisulfide.