Graphene beviser et langtidsholdbart smøremiddel

Når man forsøger at designe et mekanisk system til at vare så længe som muligt, forskere og ingeniører skal finde måder at overvinde friktion på. Mens forskere har fundet mange materialer, der hjælper med at reducere friktion, konventionelle smøremidler har ofte kemiske begrænsninger. En nylig analyse ved US Department of Energy's Argonne National Laboratory har identificeret egenskaberne af en nyere, usædvanligt slidstærkt stof, der fungerer i et bredere spektrum af miljøer.

Nanoscientist Anirudha Sumant og hans kolleger ved Argonnes Center for Nanoskala Materialer og Argonnes Energy Systems division påførte et et-atom-tykt lag af grafen, en todimensionel form for kulstof, mellem en stålkugle og en stålskive. De fandt ud af, at det eneste lag grafen varede i mere end 6, 500 "slidcyklusser, "en dramatisk forbedring i forhold til konventionelle smøremidler som grafit eller molybdendisulfid.

"Til sammenligning, "Sumant sagde, "konventionelle smøremidler ville have brug for omkring 1, 000 lag til at vare i 1, 000 slidcyklusser. Det er en kæmpe fordel med hensyn til omkostningsbesparelser med meget bedre ydeevne. "

Grafit har været brugt som et industrielt smøremiddel i mere end 40 år, men ikke uden visse ulemper, Sumant forklaret. "Grafit er begrænset af, at det virkelig kun fungerer i fugtige miljøer. Hvis du har en tør indstilling, det bliver ikke nær så effektivt, " han sagde.

Denne begrænsning skyldes, at grafit-i modsætning til grafen-har en tredimensionel struktur. Vandmolekylerne i den fugtige luft skaber glathed ved at væve sig ind mellem grafits carbonplader. Når der ikke er nok vandmolekyler i luften, materialet mister sin glathed.

Molybdendisulfid, et andet almindeligt smøremiddel, har det omvendte problem, Sagde Sumant. Det fungerer i tørre miljøer, men ikke godt i våde omgivelser. "Grundlæggende er udfordringen at finde et enkelt universalsmøremiddel, der fungerer godt til mekaniske systemer, uanset hvor de er, " han sagde.

Graphens todimensionelle struktur giver det en betydelig fordel. "Materialet er i stand til at binde direkte til overfladen af ​​rustfrit stålkugle, gør det så perfekt, at selv hydrogenatomer ikke er i stand til at trænge ind i det, "sagde Argonne materialeforsker Ali Erdemir, en samarbejdspartner i undersøgelsen, der testede grafenbelagte ståloverflader i sit laboratorium.

I et tidligere studie i Materials Today, Sumant og hans kolleger viste, at et par lag grafen fungerer lige godt i fugtige og tørre miljøer som et fast smøremiddel, løse det 40-årige puslespil om at finde et fejlfrit fast smøremiddel. Imidlertid, holdet ønskede at gå videre og teste kun et enkelt grafenlag.

Mens du gør det i et miljø, der indeholder molekyler af rent brint, de observerede en dramatisk forbedring i grafens driftstid. Når grafenmonolaget til sidst begynder at slides væk, brintatomer springer ind for at reparere gitteret, som at sy en quilt sammen igen. "Hydrogen kan kun komme ind i stoffet, hvor der allerede er en åbning, "sagde Subramanian Sankaranarayanan, en Argonne-beregningsforsker og medforfatter i denne undersøgelse. Det betyder, at grafenlaget forbliver intakt længere.

Forskere havde tidligere udført eksperimenter for at forstå den mekaniske styrke af et enkelt ark grafen, men Argonne-undersøgelsen er den første til at forklare den ekstraordinære slidstyrke af et atom-tykt grafen.

En artikel baseret på forskningen, "Ekstraordinær makroskala slidstyrke på et atom tykt grafenlag, "optrådte i udgaven af ​​26. august af Avancerede funktionelle materialer . Argonne postdoktorale forskere Diana Berman og Sanket Deshmukh er andre forfattere af denne undersøgelse.