Øger oliens ydeevne med krøllede grafenkugler

Når en bils motor smøres forkert, det kan være et stort hit for lommebogen og miljøet.

For den gennemsnitlige bil, 15 procent af brændstofforbruget bruges på at overvinde friktion i motor og transmission. Når friktionen er høj, gear skal arbejde hårdere for at flytte. Det betyder, at bilen forbrænder mere brændstof og udleder mere kuldioxid til atmosfæren.

"Hvert år, millioner af tons brændstof går til spilde på grund af friktion, " sagde Jiaxing Huang, lektor i materialevidenskab og teknik ved Northwestern University's McCormick School of Engineering. "Det er et alvorligt problem."

Mens olie hjælper med at reducere denne friktion, folk har længe ledt efter tilsætningsstoffer, der forbedrer oliens ydeevne. Huang og hans samarbejdspartnere opdagede, at sammenkrøllede grafenkugler er et ekstremt lovende smøremiddeladditiv. I en række tests, olie modificeret med krøllede grafenkugler overgik nogle kommercielle smøremidler med 15 procent, både i forhold til at reducere friktionen og graden af ​​slid på ståloverflader.

Understøttet af Office of Naval Research, teamets forskning er beskrevet i en artikel, der blev offentliggjort online den 25. januar i Proceedings of the National Academy of Sciences . Xuan Dou, en kandidatstuderende i Huangs laboratorium, er avisens første forfatter. Northwestern Engineerings Yip-Wah Chung, professor i materialevidenskab og teknik, og Q. Jane Wang, professor i maskinteknik, er også forfattere på papiret.

For omkring fem år siden, Huang opdagede krøllede grafenkugler - en ny type ultrafine partikler, der ligner krøllede papirkugler. Partiklerne er lavet ved at tørre små vanddråber med grafenbaserede plader indeni. "Kapillærkraft genereret ved fordampning af vand krøller arkene til miniaturiserede papirkugler, " sagde Huang. "Ligesom hvordan vi krøller et stykke papir med vores hænder."

Kort efter at have gjort denne opdagelse, Huang forklarede det til Chung under en frokost i Hong Kong ved at krølle en serviet og jonglere med den. "Da bolden landede på bordet, det rullede, Chung huskede. "Det mindede mig om kuglelejer, der ruller mellem overflader for at reducere friktionen."

Det "a-ha!" øjeblik førte til et samarbejde mellem de to professorer og Wang, der var midt i redigeringen af ​​en ny Encyclopedia of Tribology med Chung.

Nanopartikler, især kulstofnanopartikler, tidligere er blevet undersøgt for at hjælpe med at øge smøringen af ​​olie. Partiklerne, imidlertid, spredes ikke godt i olie og har i stedet tendens til at klumpe sig sammen, hvilket gør dem mindre effektive til smøring. Partiklerne kan klemme mellem gearets overflader og forårsage alvorlig sammenlægning, der øger friktion og slid. For at overvinde dette problem, tidligere forskere har modificeret partiklerne med ekstra kemikalier, kaldet overfladeaktive stoffer, at få dem til at sprede sig. Men dette løser stadig ikke helt problemet.

"Under friktion, de overfladeaktive molekyler kan gnide af og nedbrydes, " sagde Chung. "Når det sker, partiklerne klumper sig igen."

På grund af deres unikke form, krøllede grafenkugler spreder sig selv uden brug af overfladeaktive stoffer, der tiltrækkes af olie. Med deres spidse overflader, de er ude af stand til at få tæt kontakt med de andre grafenkugler. Selv når de presses sammen, de skilles let ad igen, når de forstyrres.

Huang og hans team fandt også ud af, at ydeevnen af ​​sammenkrøllede grafenkugler ikke er følsomme over for deres koncentrationer i olien. "Nogle få er allerede tilstrækkelige, og hvis du øger koncentrationen med 10 gange, ydelsen er omtrent den samme, "Sagde Huang." For alle andre kulstofadditiver, sådan præstation er meget følsom over for koncentration. Du skal finde det søde sted."

"Problemet med at finde et sødt sted er, at under drift, den lokale koncentration af partikler nær overfladerne under smøring kan svinge, " tilføjede Wang. "Dette fører til ustabil ydeevne for de fleste andre additivpartikler."

Næste, holdet planlægger at udforske den ekstra fordel ved at bruge krøllede grafenkugler i olie:de kan også bruges som bærere. Fordi de kuglelignende partikler har et stort overfladeareal og åbne rum, de er gode bærere til materialer med andre funktioner, såsom korrosionshæmning.