Nyopdaget materiale kan lette slitage på udenjordiske køretøjer

Mens NASAs Mars Perseverance Rover fortsætter med at udforske Mars overflade, forskere på Jorden har udviklet en ny nanoskala metalcarbid, der kunne fungere som et "supersmøremiddel" for at reducere slitage på fremtidige rovere.

Forskere ved Missouri University of Science and Technologys kemiafdeling og Argonne National Laboratory's Center for Nanoscale Materials, arbejder med en klasse af todimensionelle nanomaterialer kendt som MXenes, har opdaget, at materialerne fungerer godt til at reducere friktionen. Materialerne bør også yde bedre end konventionelle oliebaserede smøremidler i ekstreme miljøer, siger Dr. Vadym Mochalin, lektor i kemi ved Missouri S&T, hvem leder forskningen.

"Disse supersmørematerialer er af særlig interesse til avancerede anti-slid- og smøreapplikationer under ekstreme forhold, som dem, der nu opleves af Perseverance-roveren på Mars, " siger Mochalin. Han og hans kolleger beskriver deres opdagelse i et papir offentliggjort i marts 2021-udgaven af ​​tidsskriftet Materialer i dag udvikler sig ("Opnåelse af supersmøreevne med 2D overgangsmetalcarbider (MXenes) og MXene/grafenbelægninger").

Mochalin siger, at han skabte forbindelsen mellem denne forskning og Perseverances rejse til Mars efter at have set roveren lande.

"Da jeg så roverens landing på Mars, Jeg tænkte:"Hvad hvis smøremidlet i et af dets hjul svigter? Så fik jeg forbindelse med vores arbejde på MXenes, fordi det kom til at tænke på, at vi lige har fundet ud af, at MXener udviser supersmøreevne i en atmosfære uden ilt og fugt, tæt på hvad der er på Mars, " siger Mochalin.

MXenes (udtales Maxines) er metalkarbidmaterialer, der har usædvanlige egenskaber. For eksempel, deres evne til at lede elektricitet gør dem til kandidater til brug i energilagring, sansning og optoelektronik. I denne seneste undersøgelse af materialerne, Mochalin og hans team gennemførte en række tests for at bestemme, hvor godt de fungerer som faststofsmøremidler med visse materialer.

Forskerne udførte kugle-på-skive friktionstest på nanometerskala ved at afsætte en titaniumcarbid MXene på et siliciumsubstrat (skiven), der var belagt med et tyndt lag silica, som er hovedingrediensen i sand. De testede derefter MXene'ens evne til at modstå slid ved at skubbe den mod en diamantlignende kulstofbelagt stålkugle. De udførte disse tests i et tørt nitrogenmiljø, hvilket reducerer fugtigheden betydeligt.

Mochalin siger, at testene fandt ud af, at MXene-grænsefladen mellem stålkuglen og den silica-belagte skive resulterede i en friktionskoefficient i "superlubric-regimet" på 0,0067 til 0,0017. Friktionskoefficient refererer til mængden af ​​friktion mellem to objekter og bestemt af en værdi, der normalt er mellem 0 og 1. Jo lavere værdi, jo mindre friktion.

Da holdet tilføjede grafen til titaniumkarbinen MXene, resultaterne var endnu bedre. Tilføjelse af grafen "reducerede friktionen yderligere med 37,3% og slid med faktoren 2" uden at påvirke MXenens supersmøreegenskaber, skriver forskerne i deres papir.

"Disse resultater åbner nye muligheder for at udforske familien af ​​MXenes i forskellige tribologiske applikationer, " skriver Mochalin og hans kolleger. Tribologi er studiet af friktion, slid og smøring af samvirkende overflader.

Jordnære fordele

Selvom sådanne supersmøremidler kan vise sig nyttige til maskiner i udenjordiske miljøer - fra Mars-rovere til asteroide-mineudstyr - kan de også have mere jordnære fordele. I modsætning til oliebaserede smøremidler, MXenes ville ikke være afhængige af ikke-vedvarende energikilder såsom kul eller petroleum, siger Mochalin.