Carbon Nanotube Superlubricity Coating Could Reduce Economic Losses From Friction, Wear

प्लेटो द्वारा पुनर्प्रकाशित

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07 जून, 2023 (नानावरक न्यूज़) ऊर्जा विभाग के ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी के वैज्ञानिकों ने एक ऐसी कोटिंग का आविष्कार किया है जो वाहन ड्राइव ट्रेनों से लेकर पवन और जलविद्युत टर्बाइनों तक चलने वाले हिस्सों के साथ सामान्य लोड-असर प्रणालियों में घर्षण को नाटकीय रूप से कम कर सकती है। यह स्टील पर स्टील की रगड़ के घर्षण को कम से कम सौ गुना कम कर देता है। नई ओआरएनएल कोटिंग अमेरिकी अर्थव्यवस्था को सहारा देने में मदद कर सकती है, जो हर साल घर्षण और टूट-फूट के कारण $1 ट्रिलियन से अधिक का नुकसान करती है - जो सकल राष्ट्रीय उत्पाद के 5% के बराबर है। ओआरएनएल के सरफेस इंजीनियरिंग और ट्राइबोलॉजी समूह के नेता जून क्यू ने कहा, "जब घटक एक-दूसरे से फिसल रहे होते हैं, तो घर्षण और टूट-फूट होती है।" ट्राइबोलॉजी, रगड़ के लिए ग्रीक शब्द से लिया गया है, जो सापेक्ष गति में सतहों, जैसे गियर और बीयरिंग, के संपर्क का विज्ञान और तकनीक है। “अगर हम घर्षण को कम करते हैं, तो हम ऊर्जा की खपत को कम कर सकते हैं। यदि हम घिसाव कम करते हैं, तो हम बेहतर स्थायित्व और विश्वसनीयता के लिए सिस्टम के जीवन काल को बढ़ा सकते हैं। ओआरएनएल सहयोगियों चनाका कुमारा और माइकल लांस के साथ, क्यू ने प्रकाशित एक अध्ययन का नेतृत्व किया सामग्री आज नैनो ("Macroscale superlubricity by a sacrificial carbon nanotube coating") से बनी एक कोटिंग के बारे में कार्बन नैनोट्यूब जो फिसलने वाले हिस्सों को अत्यधिक चिकनाई प्रदान करता है। अति चिकनाई फिसलन के प्रति वस्तुतः कोई प्रतिरोध न दिखाने का गुण है; इसकी पहचान 0.01 से कम घर्षण गुणांक है। इसकी तुलना में, जब सूखी धातुएँ एक-दूसरे से फिसलती हैं, तो घर्षण का गुणांक लगभग 0.5 होता है। तेल स्नेहक के साथ, घर्षण का गुणांक लगभग 0.1 तक गिर जाता है। हालाँकि, ओआरएनएल कोटिंग ने सुपर-चिकनाई के लिए कटऑफ से काफी नीचे घर्षण के गुणांक को 0.001 तक कम कर दिया।

ओआरएनएल के लंबवत संरेखित कार्बन नैनोट्यूब ऊर्जा दक्षता में सुधार के लिए घर्षण को लगभग शून्य तक कम कर देते हैं। (छवि: चनाका कुमारा, ओआरएनएल) "हमारी मुख्य उपलब्धि यह है कि हम सबसे आम अनुप्रयोगों के लिए सुपरलुब्रिसिटी को व्यवहार्य बनाते हैं," क्यू ने कहा। "इससे पहले, आप इसे केवल नैनोस्केल या विशेष वातावरण में ही देखते थे।" अध्ययन के लिए, कुमारा ने स्टील प्लेटों पर कार्बन नैनोट्यूब उगाए। ट्राइबोमीटर नामक मशीन से, उन्होंने और क्यू ने कार्बन-नैनोट्यूब छीलन उत्पन्न करने के लिए प्लेटों को एक-दूसरे के खिलाफ रगड़ा। बहुदीवारित कार्बन नैनोट्यूब स्टील को कोट करते हैं, संक्षारक नमी को दूर रखते हैं और स्नेहक भंडार के रूप में कार्य करते हैं। जब वे पहली बार जमा होते हैं, तो लंबवत रूप से संरेखित कार्बन नैनोट्यूब घास के ब्लेड की तरह सतह पर खड़े होते हैं। जब स्टील के हिस्से एक-दूसरे से फिसलते हैं, तो वे अनिवार्य रूप से "घास काटते हैं।" प्रत्येक ब्लेड खोखला होता है लेकिन लुढ़का हुआ कई परतों से बना होता है graphene, चिकन तार की तरह आसन्न षट्भुज में व्यवस्थित कार्बन की एक परमाणु रूप से पतली शीट। शेविंग से टूटे हुए कार्बन नैनोट्यूब मलबे को संपर्क सतह पर फिर से जमा किया जाता है, जिससे एक ग्राफीन-समृद्ध ट्राइबोफिल्म बनता है जो घर्षण को लगभग शून्य कर देता है। कार्बन नैनोट्यूब बनाना एक बहुचरणीय प्रक्रिया है। “सबसे पहले, हमें नैनोमीटर के आकार के पैमाने पर छोटी संरचनाएं बनाने के लिए स्टील की सतह को सक्रिय करने की आवश्यकता है। दूसरा, हमें कार्बन नैनोट्यूब विकसित करने के लिए कार्बन स्रोत प्रदान करने की आवश्यकता है, ”कुमारा ने कहा। उन्होंने सतह पर धातु-ऑक्साइड कण बनाने के लिए एक स्टेनलेस-स्टील डिस्क को गर्म किया। फिर उन्होंने कार्बन को इथेनॉल के रूप में पेश करने के लिए रासायनिक वाष्प जमाव का उपयोग किया ताकि धातु-ऑक्साइड कण नैनोट्यूब के रूप में परमाणु दर परमाणु कार्बन को सिलाई कर सकें। नए नैनोट्यूब तब तक अत्यधिक चिकनाई प्रदान नहीं करते जब तक वे क्षतिग्रस्त न हो जाएं। "कार्बन नैनोट्यूब रगड़ने से नष्ट हो जाते हैं लेकिन एक नई चीज़ बन जाते हैं," क्यू ने कहा। “मुख्य हिस्सा यह है कि खंडित कार्बन नैनोट्यूब ग्राफीन के टुकड़े हैं। उन ग्राफीन के टुकड़ों को चिकना कर दिया जाता है और संपर्क क्षेत्र से जोड़ दिया जाता है, जिसे हम ट्राइबोफिल्म कहते हैं, प्रक्रिया के दौरान एक कोटिंग बनती है। फिर दोनों संपर्क सतहों को कुछ ग्राफीन-समृद्ध कोटिंग द्वारा कवर किया जाता है। अब, जब वे एक-दूसरे को रगड़ते हैं, तो यह ग्राफीन पर ग्राफीन होता है।"

इसकी सतह पर लोहे और निकल ऑक्साइड कण बनाने के लिए एक स्टेनलेस-स्टील डिस्क को गर्म किया गया था। (छवि: कार्लोस जोन्स, ओआरएनएल) सुपरचिकनाई प्राप्त करने के लिए तेल की एक बूंद की भी उपस्थिति महत्वपूर्ण है। “हमने इसे बिना तेल के आज़माया; यह काम नहीं किया,'' क्यू ने कहा। “इसका कारण यह है कि तेल के बिना, घर्षण कार्बन नैनोट्यूब को बहुत आक्रामक तरीके से हटा देता है। तब ट्राइबोफिल्म अच्छी तरह से नहीं बन पाती या लंबे समय तक जीवित नहीं रह पाती। यह बिना तेल के इंजन की तरह है। यह कुछ ही मिनटों में धुआं छोड़ देता है, जबकि तेल वाला आसानी से वर्षों तक चल सकता है।'' ओआरएनएल कोटिंग की बेहतर फिसलन क्षमता में स्थायित्व है। 500,000 से अधिक रगड़ चक्रों के परीक्षणों में अति चिकनाई कायम रही। कुमारा ने तीन घंटे, फिर एक दिन और बाद में 12 दिनों तक लगातार स्लाइडिंग के लिए प्रदर्शन का परीक्षण किया। उन्होंने कहा, ''हमें अब भी सुपरचिकनाई मिल गई है।'' "यह स्थिर है।" इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करते हुए, कुमारा ने यह साबित करने के लिए कटे हुए टुकड़ों की जांच की कि ट्राइबोलॉजिकल टूट-फूट ने कार्बन नैनोट्यूब को तोड़ दिया है। स्वतंत्र रूप से पुष्टि करने के लिए कि रगड़ने से नैनोट्यूब छोटे हो गए, ओआरएनएल के सह-लेखक लांस ने रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया, एक तकनीक जो कंपन ऊर्जा को मापती है, जो किसी सामग्री के परमाणु बंधन और क्रिस्टल संरचना से संबंधित है। "ट्राइबोलॉजी एक बहुत पुराना क्षेत्र है, लेकिन आधुनिक विज्ञान और इंजीनियरिंग ने इस क्षेत्र में प्रौद्योगिकी को आगे बढ़ाने के लिए एक नया वैज्ञानिक दृष्टिकोण प्रदान किया है," क्यू ने कहा। “पिछले शायद 20 वर्षों तक, जब जनजातीय विज्ञान को एक नया जीवन मिला, बुनियादी समझ उथली रही है। हाल ही में, वैज्ञानिक और इंजीनियर वास्तव में अधिक उन्नत सामग्री लक्षण वर्णन प्रौद्योगिकियों का उपयोग करने के लिए एक साथ आए - यह ओआरएनएल की ताकत है। ट्राइबोलॉजी बहुत बहुविषयक है। कोई भी हर चीज़ में विशेषज्ञ नहीं होता. इसलिए, ट्राइबोलॉजी में, सफलता की कुंजी सहयोग है। उन्होंने आगे कहा, “कहीं न कहीं, आप कार्बन नैनोट्यूब में विशेषज्ञता वाला वैज्ञानिक, ट्राइबोलॉजी में विशेषज्ञता वाला वैज्ञानिक, सामग्री लक्षण वर्णन में विशेषज्ञता वाला वैज्ञानिक पा सकते हैं। लेकिन वे अलग-थलग हैं. यहां ओआरएनएल में, हम एक साथ हैं। ओआरएनएल की ट्राइबोलॉजी टीमों ने पुरस्कार विजेता कार्य किया है जिसने औद्योगिक भागीदारी और लाइसेंसिंग को आकर्षित किया है। 2014 में, ओआरएनएल, जनरल मोटर्स, शेल ग्लोबल सॉल्यूशंस और लुब्रिज़ोल द्वारा विकसित ईंधन-कुशल इंजन स्नेहक के लिए एक आयनिक एंटी-वियर एडिटिव ने आर एंड डी 100 पुरस्कार जीता। ओआरएनएल के सहयोगी क्यू, हुइमिन लुओ, शेंग दाई, पीटर ब्लाउ, टॉड टॉप्स, ब्रायन वेस्ट और ब्रूस बंटिंग थे। इसी तरह, वर्तमान पेपर में वर्णित कार्य 100 में आर एंड डी 2020 पुरस्कार के लिए फाइनलिस्ट था। और शोधकर्ताओं ने अपने उपन्यास सुपरलुब्रिसिटी कोटिंग के पेटेंट के लिए आवेदन किया है। "इसके बाद, हम प्रौद्योगिकी के परीक्षण, परिपक्व और लाइसेंस के लिए डीओई को एक संयुक्त प्रस्ताव लिखने के लिए उद्योग के साथ साझेदारी करने की उम्मीद करते हैं," क्यू ने कहा। "एक दशक में हम घर्षण और टूट-फूट के कारण कम ऊर्जा बर्बाद होने वाले बेहतर प्रदर्शन वाले वाहनों और बिजली संयंत्रों को देखना चाहेंगे।"