Il rivestimento superlubrificante in nanotubi di carbonio potrebbe ridurre le perdite economiche dovute ad attrito e usura

Ripubblicato da Platone

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07 giugno 2023 (Notizie Nanowerk) Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno inventato un rivestimento che potrebbe ridurre drasticamente l'attrito nei comuni sistemi portanti con parti in movimento, dalle trasmissioni dei veicoli alle turbine eoliche e idroelettriche. Riduce almeno di cento volte l'attrito dello sfregamento dell'acciaio sull'acciaio. Il nuovo rivestimento ORNL potrebbe aiutare a ingrassare un'economia statunitense che ogni anno perde più di 1 trilione di dollari per attrito e usura, pari al 5% del prodotto nazionale lordo. "Quando i componenti scivolano l'uno sull'altro, c'è attrito e usura", ha affermato Jun Qu, leader del gruppo di ingegneria delle superfici e tribologia dell'ORNL. La tribologia, dalla parola greca per sfregamento, è la scienza e la tecnologia delle superfici interagenti in moto relativo, come ingranaggi e cuscinetti. “Se riduciamo l'attrito, possiamo ridurre il consumo di energia. Se riduciamo l'usura, possiamo allungare la durata del sistema per una migliore durata e affidabilità. Con i colleghi dell'ORNL Chanaka Kumara e Michael Lance, Qu ha condotto uno studio pubblicato su Materiali Oggi Nano ("Superlubrificanza su macroscala grazie a un rivestimento sacrificale di nanotubi di carbonio") su un rivestimento composto da nanotubi di carbonio che conferisce superlubricità alle parti scorrevoli. La superlubricità è la proprietà di non mostrare virtualmente alcuna resistenza allo scorrimento; il suo segno distintivo è un coefficiente di attrito inferiore a 0.01. In confronto, quando i metalli secchi scivolano l'uno sull'altro, il coefficiente di attrito è di circa 0.5. Con un olio lubrificante, il coefficiente di attrito scende a circa 0.1. Tuttavia, il rivestimento ORNL ha ridotto il coefficiente di attrito molto al di sotto del limite per la superlubricità, fino a 0.001.

I nanotubi di carbonio allineati verticalmente di ORNL riducono l'attrito quasi a zero per migliorare l'efficienza energetica. (Immagine: Chanaka Kumara, ORNL) "Il nostro risultato principale è rendere possibile la superlubricità per le applicazioni più comuni", ha affermato Qu. "Prima, lo vedevi solo in ambienti su nanoscala o speciali." Per lo studio, Kumara ha coltivato nanotubi di carbonio su lastre di acciaio. Con una macchina chiamata tribometro, lui e Qu hanno fatto sfregare le piastre l'una contro l'altra per generare trucioli di nanotubi di carbonio. I nanotubi di carbonio a parete multipla rivestono l'acciaio, respingono l'umidità corrosiva e fungono da riserva di lubrificante. Quando vengono depositati per la prima volta, i nanotubi di carbonio allineati verticalmente stanno sulla superficie come fili d'erba. Quando le parti in acciaio scivolano l'una sull'altra, essenzialmente "tagliano l'erba". Ogni lama è cava ma composta da più strati di laminati grafene, un foglio di carbonio atomicamente sottile disposto in esagoni adiacenti come una rete metallica. I frammenti di nanotubi di carbonio fratturati dalla rasatura vengono ridepositati sulla superficie di contatto, formando un tribofilm ricco di grafene che riduce l'attrito quasi a zero. Realizzare i nanotubi di carbonio è un processo a più fasi. “In primo luogo, dobbiamo attivare la superficie dell'acciaio per produrre minuscole strutture, sulla scala delle dimensioni dei nanometri. In secondo luogo, dobbiamo fornire una fonte di carbonio per far crescere i nanotubi di carbonio", ha affermato Kumara. Ha riscaldato un disco di acciaio inossidabile per formare particelle di ossido di metallo sulla superficie. Quindi ha utilizzato la deposizione chimica da vapore per introdurre il carbonio sotto forma di etanolo in modo che le particelle di ossido di metallo possano ricucire il carbonio lì, atomo per atomo sotto forma di nanotubi. I nuovi nanotubi non forniscono superlubricità fino a quando non vengono danneggiati. "I nanotubi di carbonio vengono distrutti dallo sfregamento ma diventano una cosa nuova", ha detto Qu. “La parte fondamentale è che quei nanotubi di carbonio fratturati sono pezzi di grafene. Quei pezzi di grafene vengono spalmati e collegati all'area di contatto, diventando ciò che chiamiamo tribofilm, un rivestimento formatosi durante il processo. Quindi entrambe le superfici di contatto sono coperte da un rivestimento ricco di grafene. Ora, quando si sfregano l'un l'altro, è grafene su grafene".

Un disco di acciaio inossidabile è stato riscaldato per creare particelle di ferro e ossido di nichel sulla sua superficie. (Immagine: Carlos Jones, ORNL) La presenza anche di una sola goccia di olio è fondamentale per ottenere la superlubrificazione. “L'abbiamo provato senza olio; non ha funzionato”, ha detto Qu. “Il motivo è che, senza olio, l'attrito rimuove i nanotubi di carbonio in modo troppo aggressivo. Quindi il tribofilm non può formarsi bene o sopravvivere a lungo. È come un motore senza olio. Fuma in pochi minuti, mentre uno con l'olio può facilmente funzionare per anni. La scivolosità superiore del rivestimento ORNL ha una capacità di resistenza. La superlubricità persisteva in test di oltre 500,000 cicli di sfregamento. Kumara ha testato le prestazioni per lo scorrimento continuo per tre ore, poi un giorno e successivamente per 12 giorni. "Abbiamo ancora la superlubricità", ha detto. "È stabile." Utilizzando la microscopia elettronica, Kumara ha esaminato i frammenti falciati per dimostrare che l'usura tribologica aveva reciso i nanotubi di carbonio. Per confermare in modo indipendente che lo sfregamento aveva accorciato i nanotubi, il coautore di ORNL Lance ha utilizzato la spettroscopia Raman, una tecnica che misura l'energia vibrazionale, che è correlata al legame atomico e alla struttura cristallina di un materiale. "La tribologia è un campo molto antico, ma la scienza e l'ingegneria moderne hanno fornito un nuovo approccio scientifico per far progredire la tecnologia in questo settore", ha affermato Qu. “La comprensione fondamentale è stata superficiale fino agli ultimi 20 anni, quando la tribologia ha avuto una nuova vita. Più recentemente, scienziati e ingegneri si sono davvero uniti per utilizzare le tecnologie di caratterizzazione dei materiali più avanzate: questo è un punto di forza dell'ORNL. La tribologia è molto multidisciplinare. Nessuno è esperto di tutto. Pertanto, nella tribologia, la chiave del successo è la collaborazione". Ha aggiunto: “Da qualche parte, puoi trovare uno scienziato esperto in nanotubi di carbonio, uno scienziato esperto in tribologia, uno scienziato esperto nella caratterizzazione dei materiali. Ma sono isolati. Qui all'ORNL, siamo insieme. I team di tribologia di ORNL hanno svolto un lavoro pluripremiato che ha attirato partnership industriali e licenze. Nel 2014, un additivo ionico antiusura per lubrificanti per motori a basso consumo, sviluppato da ORNL, General Motors, Shell Global Solutions e Lubrizol, ha vinto un premio R&D 100. I collaboratori di ORNL erano Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West e Bruce Bunting. Allo stesso modo, il lavoro descritto nel presente articolo è stato finalista per un premio R&D 100 nel 2020. E i ricercatori hanno richiesto un brevetto per il loro nuovo rivestimento superlubrizzante. "Successivamente, speriamo di collaborare con l'industria per scrivere una proposta congiunta al DOE per testare, maturare e concedere in licenza la tecnologia", ha affermato Qu. "In un decennio vorremmo vedere veicoli e centrali elettriche ad alte prestazioni migliorati con meno energia persa per attrito e usura".