Hvordan forlænger man smøremidlernes brugstid?

Vindmøller, der rager flere hundrede meter over mange landskaber, varsler en fremtid med uendelig, ren energi.

Men i en afgørende forstand, turbiner forbliver forankret i fortiden:Ligesom med din bil, deres motorer kræver smøring for at køre jævnt. Spørgsmålet for mange kemiingeniører er, hvordan forlænger man smøremidlernes brugstid?

I en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , Vineeth Chandran Suja, en Stanford kandidatstuderende i kemiteknik, udforsker et af kerneproblemerne:skummende olie.

Problemet, han siger, er det uanset om det er i din bil eller en vindmølle, hver gang metaltandhjul sliber mod andre metaller, olie bliver skvulpet rundt og blandet med luft. Dette resulterer ofte i dannelsen af ​​små bobler med varierende levetid. Hvis boblerne ikke straks brister, de samler sig snart til et skum, hvilket er en af ​​de primære mekanismer for motornedgang.

Skummet er skadeligt på mange forskellige måder. Det nedbryder smøremidlet og lader tandhjulene slibe. Ilt fanget i olieskum får metaldelene til at oxidere, det er, at ruste. Og skummet fungerer som en termisk isolator, indfangning af skadelig varme i systemet. Derfor, smøremiddelproducenter søger aktivt efter måder at afbøde skumdannelse af smøremidler.

For bedre at forstå de forhold, der giver anledning til skum, forskerne, ledet af Gerald Fuller, professor i kemiteknik, tilpasset et sæt teknikker, der oprindeligt blev udviklet til at studere det væskelag, der smører det ydre af det menneskelige øje. Disse nye teknikker satte dem i stand til at studere de farverige mønstre på overfladen af ​​individuelle oliebobler – et vigtigt fremskridt fra tidligere forskning, som fokuserede på skum i tilslaget.

Da Fuller og Suja zoomede ind på den iriserende overflade af deres små oliebobler, de opdagede, at farvemønstrene afslørede tykkelsen af ​​boblevæggen. Lysere, mere levende farver indikerede tykkere vægge, der førte til mere vedvarende bobler og, derfor, skummere, mindre effektive olier, siger Suja, som var første forfatter på papiret. Mørkere farver indikerede tyndvæggede bobler, der hurtigt ville springe, så de olier, der ville holde længere og give bedre smøring.

Forskerne brugte deres nye farvekodningsteknik til at afgøre, hvorfor nogle motorolier har tendens til at blive skummende. Deres ultimative mål var at finde ud af, hvordan man laver længerevarende olier. I processen gjorde de en overraskende opdagelse om, hvordan fordampning medvirker til bobledannelse og skumdannelse.

Mens de zoomede ind, de observerede, at fordampning i toppen af ​​hver boble fik dens overfladespænding til at ændre sig, trækker ekstra olie mod toppen. Denne ekstra olie gjorde boblevæggen tykkere og stærkere, og forhindrede den i at briste. De optog video af boblerne, der pulserede, mens tårer af olie samlede sig på toppen, rullede derefter ned af boblens ydre væg kun for at blive ond op til toppen igen ved fordampning. Mens cyklussen fortsatte, disse vedvarende, tykvæggede bobler havde en tendens til at blive uønskede skum. "At lære, at hele denne proces er drevet af fordampning, var lidt af et uventet resultat, " siger Fuller.

Forskerne viste, at denne effekt er mest udtalt i blandede, multi-grade olier, men praktisk talt fraværende i homogene, single-grade olier. "Det viser sig, hvis du vil reducere skumdannelse, du ønsker at bruge høj renhed, single-grade olier, " siger Fuller.

Suja og Fuller forfølger nu to strategier for at finde måder at reducere eller eliminere skumdannelse. Den første er at formalisere deres forståelse af bobledannelse, fordampning og opskumning med matematiske modeller, der giver dem mulighed for at simulere, hvordan rene eller blandede olier sandsynligvis vil præstere i det virkelige liv. Dette ville fremskynde forskningen og opdagelsesprocessen for nye olier. Den anden er at lede efter skumdæmpende tilsætningsstoffer eller andre måder at modvirke de pulserende dråber på.

Dette er en grundlæggende undersøgelse, der belyser et stort problem, der plager smøring, siger Fuller. "Det peger os også i nogle interessante nye retninger."