Nanodiamanter er for evigt

Sig farvel til sloganet "diamanter er for evigt." For industrier, der bruger tørt smøremiddel, den kommende sætning er mere tilbøjelig til at være "brudte nanodiamanter er for evigt."

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory kombinerer nanodiamanter med todimensionelle molybdændisulfidlag og bryder dem for at skabe et selvgenererende, tørt smøremiddel med meget lav friktion, der holder så længe, ​​at det næsten kan forveksles med evigt. Stoffet kan have hundredvis af industrielle anvendelser og kan bruges næsten overalt, hvor to stykker metal gnider sammen under tørre forhold.

De mest almindeligt anvendte faste smøremidler på markedet i dag har form af grafitpasta. Vi bruger disse smøremidler til at smøre dørhåndtag og cykelkæder, blandt andet.

I 2015 Anirudha Sumant fra Nanoscience and Technology-divisionen og hans kolleger opnåede et gennembrud inden for solid smøreteknologi ved at demonstrere supersmøring (nær-nul friktion) i ingeniørskala for første gang ved at bruge grafen kombineret med nanodiamanter. Denne tilgang var revolutionerende, og siden da har hans gruppe fortsat med at videreudvikle teknologien.

Seneste, Sumant erstattede grafen i processen med molybdændisulfid, for at se, hvordan andre 2-D-materialer ville opføre sig. Han forventede, at processen ville ligne den, der blev observeret med grafen-nanodiamantsmøremiddel. Imidlertid, holdet blev overrasket, da Diana Berman, hovedforfatteren og Argonne post-doc-stipendiat, kunne ikke se nanodiamanter i materialet. I stedet, hun fandt kugler af løglignende kulstof.

Hvad skete der? Molybdændisulfidet var ved at bryde op i molybdæn og svovl og reagerede med nanodiamanterne for at omdanne dem til løglignende kulstof.

"Vi vidste, at synderen må være svovl, der beskadiger nanodiamanterne, men for os hjælper det faktisk, " sagde Sumant.

Argonne-holdet, som omfattede Sumant, Diana Berman, Subramanian Sankaranarayanan, Badri Narayanan, Mathew Cherukara, Ali Erdemir og Alexander Zinovev, indså, at svovldiffusion øgede belastningen i nanodiamanterne, efterfølgende bryde dem og omdanne dem til løglignende kulstof.

Dette var en velsignelse i forklædning, sagde Sankaranarayanan, da deres indsats også låste op for en anden hemmelighed om, hvordan andre 2-D-materialer vil interagere med nanodiamanter med samme resultat.

Friktionen i denne nye kombination er 10 gange lavere end for nogle nonstick-belægninger, herunder fluorpolymerer, hvilket betyder mindre varme og mindre slid på dele og udstyr.

John Harvey, forretningsudviklingschef hos Argonne, sagde, at han allerede har haft en betydelig interesse i industrien i teknologien, selvom Sumants papir først for nylig blev offentliggjort i Naturkommunikation . Undersøgelsen har titlen "Operando tribokemisk dannelse af løglignende kulstof fører til supersmøring i makroskala."

"Materialet, smøremidlet bruges på, vil holde længere, og jeg behøver ikke bekymre mig om væskerester og at smide olieholdige klude ud som en del af oprydningsprocessen, " sagde Harvey. "Vi kan også bruge det til at lave dele, som vi ikke kan lave i dag, især med metalstempling."

Løglignende kulstof, når de dannes, består af flere lag sfæriske grafitiske skaller, der kan bruges som tørt smøremiddel. Og processen med at drysse molybdændisulfid og nanodiamanter sammen skaber denne form for kulstof automatisk, uden yderligere kemisk påføring.

"Det er interessant at se, at disse kulstofkugler kan opretholde et højt kontakttryk og, på grund af deres unikke nanostruktur, kan glide let, skabe supersmøreevnen, sagde Ali Erdemir, Argonne Distinguished Fellow og samarbejdspartner i denne undersøgelse.

"Vi har nu fundet ud af, hvordan man genererer smøremidler under glidning, der kan holde meget længere end nogen andre faste smøremidler, " sagde Sumant.

Mens molybdændisulfid er en smule dyrere end grafen, mindre er nødvendigt i denne proces.

"Mængden er så lille - et par dråber for kilometers glidning - at omkostningerne ikke er et problem, " sagde Sumant. Tørsmøringsmetoden er også meget renere at bruge, fordi der ikke er nogen farlige kemikalier, der bliver smidt væk i denne proces, han tilføjede.

Tørre smøremidler er allerede almindelige i flere brancher. Imidlertid, de bruges for det meste til tyndfilmsbelægninger og er tilbøjelige til katastrofale fejltilstande. Det Argonne-udviklede supersmøremiddel virker meget anderledes end traditionelle tyndfilmsbelægninger. Det selvgenererende smøremiddel justerer sig selv løbende, så det holder længere.

"Dette repræsenterer virkelig den næste generation af fast smøremiddel, " sagde Sumant.

De potentielle anvendelser omfatter lejer og mekaniske pumpetætninger i tørre applikationer såvel som i vindmøller. Teknologien kunne også bruges i computerindustrien; specifikt, i magnetiske diskdrev.

Argonne har allerede tre patenter på superlubricitetsteknologien, med et patent anmeldt på dette gennembrud, som snart vil være tilgængelig for licensering.

Sumant og Erdemir skrev sammen en nylig anmeldelse i ACS Nano på de mest aktuelle supersmøreteknologier og opdagelser inden for området. Denne guidepost-artikel kan være den første til at opsummere den aktuelle tilstand af global forskning om supersmøring ved hjælp af todimensionelle materialer såsom grafen, sekskantet bornitrid og molybdændisulfid.