Je kunt een fietsketting smeren met olie, maar wat doe je met een Marsrover of een gloeiend hete transportband in de staalindustrie? Zeer bijzondere nanomaterialen zijn inmiddels door de TU Wien onderzocht samen met onderzoeksgroepen uit Saarbrücken (Duitsland), Purdue University in de VS en de Universidad de Chile (Santiago, Chili).

De materiaalklasse van MXenes (uitgesproken als "maxene") heeft de afgelopen jaren nogal wat opschudding veroorzaakt in verband met nieuwe batterijtechnologieën. Maar nu blijkt dat ze ook een uitstekend vast smeermiddel zijn dat extreem duurzaam is en zelfs onder de moeilijkste omstandigheden zijn taak vervult. Deze opmerkelijke eigenschappen van MXenes zijn nu gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift ACS Nano .

Als een stapel vellen papier

Net als het koolstofmateriaal grafeen, MXenen behoren tot de klasse van zogenaamde 2D-materialen:hun eigenschappen worden in wezen bepaald door het feit dat het ultradunne lagen zijn, enkele atomaire lagen, zonder sterke bindingen met de laag erboven of eronder.

"Je begint eerst met zogenaamde MAX-fasen, dat zijn speciale laagsystemen bestaande uit titanium, aluminium en koolstof, bijvoorbeeld, " zegt prof. Carsten Gachot, hoofd van de Tribology Group aan het Institute of Engineering Design and Product Development aan de TU Wien. "De cruciale truc is om het aluminium uit te etsen met fluorwaterstofzuur."

Wat dan overblijft is een stapel atomair dunne lagen titanium en koolstof die losjes op elkaar liggen, net als vellen papier. Elke laag is op zichzelf relatief stabiel, maar de lagen kunnen gemakkelijk tegen elkaar worden verschoven.

Deze onderlinge verplaatsbaarheid van de atomaire lagen maakt het materiaal tot een uitstekend droog smeermiddel:zonder slijtage te veroorzaken, extreem lage weerstand glijden wordt mogelijk gemaakt. De wrijving tussen stalen oppervlakken kon zo worden teruggebracht tot een zesde - en met een uitzonderlijk hoge slijtvastheid:zelfs na 100, 000 bewegingscycli, de MXene smeerlaag functioneert nog steeds probleemloos.

Dit is perfect voor gebruik onder moeilijke omstandigheden:terwijl smeerolie tijdens ruimtemissies onmiddellijk in een vacuüm zou verdampen, bijvoorbeeld, MXeen in de vorm van fijn poeder kan daar ook worden gebruikt.

Onafhankelijk van atmosfeer en temperatuur

"Vergelijkbare dingen zijn geprobeerd met andere dunnefilmmaterialen, zoals grafeen of molybdeendisulfide, ", zegt Carsten Gachot. "Maar ze reageren gevoelig op vocht in de atmosfeer. Watermoleculen kunnen de bindingskrachten tussen de afzonderlijke lagen veranderen. Met MXenen, anderzijds, dit speelt een minder grote rol."

Een ander doorslaggevend voordeel is de hittebestendigheid van MXenes:"Veel smeermiddelen oxideren bij hoge temperaturen en verliezen hun smering. MXenes, anderzijds, zijn veel stabieler, en kan zelfs worden gebruikt in de staalindustrie, waar mechanisch bewegende delen soms een temperatuur van enkele honderden graden Celsius kunnen bereiken, ", legt Gachot uit.

Het poedervormige smeermiddel werd in verschillende experimenten aan de TU Wien onderzocht door Dr. Philipp Grützmacher van de onderzoeksgroep van Prof. Gachot, evenals aan de Saarland University in Saarbrücken en Purdue University in de VS. Aan de andere kant van de wereld, Prof. Andreas Rosenkranz in Chili speelde een grote rol bij het initiëren en vormgeven van het werk.

"Ook vanuit de industrie is er al grote belangstelling voor deze materialen. We gaan ervan uit dat dergelijke MXenen binnenkort op grotere schaal kunnen worden geproduceerd, ', zegt Carsten Gachot.