O revestimento de superlubricidade de nanotubos de carbono pode reduzir as perdas econômicas por fricção, desgaste

07 de junho de 2023 (Notícias do Nanowerk) Cientistas do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia inventaram um revestimento que pode reduzir drasticamente o atrito em sistemas de suporte de carga comuns com partes móveis, desde trens de acionamento de veículos até turbinas eólicas e hidrelétricas. Reduz o atrito do aço esfregando no aço em pelo menos cem vezes. O novo revestimento ORNL pode ajudar a lubrificar a economia dos EUA, que a cada ano perde mais de US$ 1 trilhão em atrito e desgaste – o equivalente a 5% do produto nacional bruto. “Quando os componentes estão deslizando uns sobre os outros, há fricção e desgaste”, disse Jun Qu, líder do grupo de Engenharia de Superfície e Tribologia do ORNL. Tribologia, da palavra grega para fricção, é a ciência e a tecnologia da interação de superfícies em movimento relativo, como engrenagens e rolamentos. “Se reduzirmos o atrito, podemos reduzir o consumo de energia. Se reduzirmos o desgaste, podemos prolongar a vida útil do sistema para maior durabilidade e confiabilidade.” Com os colegas do ORNL, Chanaka Kumara e Michael Lance, Qu liderou um estudo publicado em Materiais Hoje Nano ("Superlubricidade em macroescala por um revestimento sacrificial de nanotubos de carbono") sobre um revestimento composto por nanotubos de carbono que confere superlubricidade às peças deslizantes. Superlubricidade é a propriedade de não apresentar praticamente nenhuma resistência ao deslizamento; sua marca registrada é um coeficiente de fricção inferior a 0.01. Em comparação, quando metais secos deslizam um sobre o outro, o coeficiente de atrito é de cerca de 0.5. Com um óleo lubrificante, o coeficiente de atrito cai para cerca de 0.1. No entanto, o revestimento ORNL reduziu o coeficiente de atrito muito abaixo do limite para superlubricidade, para apenas 0.001. Os nanotubos de carbono alinhados verticalmente do ORNL reduzem o atrito a quase zero para melhorar a eficiência energética. (Imagem: Chanaka Kumara, ORNL) “Nossa principal conquista é tornar a superlubricidade viável para as aplicações mais comuns”, disse Qu. “Antes, você só via isso em nanoescala ou em ambientes especiais.” Para o estudo, Kumara cultivou nanotubos de carbono em placas de aço. Com uma máquina chamada tribômetro, ele e Qu fizeram as placas se esfregarem umas nas outras para gerar aparas de nanotubos de carbono. Os nanotubos de carbono de paredes múltiplas revestem o aço, repelem a umidade corrosiva e funcionam como um reservatório de lubrificante. Quando são depositados pela primeira vez, os nanotubos de carbono alinhados verticalmente ficam na superfície como folhas de grama. Quando as peças de aço deslizam umas sobre as outras, elas basicamente “cortam a grama”. Cada lâmina é oca, mas feita de várias camadas de laminados grafeno, uma folha de carbono atomicamente fina disposta em hexágonos adjacentes como tela de arame. Os detritos de nanotubos de carbono fraturados da apara são redepositados na superfície de contato, formando um tribofilme rico em grafeno que reduz o atrito a quase zero. Fazer os nanotubos de carbono é um processo de várias etapas. “Primeiro, precisamos ativar a superfície do aço para produzir estruturas minúsculas, na escala de tamanho de nanômetros. Em segundo lugar, precisamos fornecer uma fonte de carbono para cultivar os nanotubos de carbono”, disse Kumara. Ele aqueceu um disco de aço inoxidável para formar partículas de óxido de metal na superfície. Em seguida, ele usou a deposição química de vapor para introduzir carbono na forma de etanol, de modo que as partículas de óxido de metal possam costurar o carbono ali, átomo por átomo, na forma de nanotubos. Os novos nanotubos não fornecem superlubricidade até que sejam danificados. “Os nanotubos de carbono são destruídos na fricção, mas se tornam uma coisa nova”, disse Qu. “A parte principal é que os nanotubos de carbono fraturados são pedaços de grafeno. Esses pedaços de grafeno são untados e conectados à área de contato, tornando-se o que chamamos de tribofilme, um revestimento formado durante o processo. Em seguida, ambas as superfícies de contato são cobertas por algum revestimento rico em grafeno. Agora, quando eles se esfregam, é grafeno sobre grafeno.” Um disco de aço inoxidável foi aquecido para criar partículas de óxido de ferro e níquel em sua superfície. (Imagem: Carlos Jones, ORNL) A presença de até mesmo uma gota de óleo é crucial para alcançar a superlubricidade. “Tentamos sem óleo; não funcionou”, disse Qu. “A razão é que, sem óleo, a fricção remove os nanotubos de carbono de forma muito agressiva. Então o tribofilme não pode se formar bem ou sobreviver por muito tempo. É como um motor sem óleo. Ele fumega em poucos minutos, enquanto um com óleo pode funcionar facilmente por anos.” O escorregadio superior do revestimento ORNL tem poder de permanência. A superlubricidade persistiu em testes de mais de 500,000 ciclos de fricção. Kumara testou as performances de deslizamento contínuo por três horas, depois um dia e depois 12 dias. “Ainda temos superlubricidade”, disse ele. “Está estável.” Usando microscopia eletrônica, Kumara examinou os fragmentos cortados para provar que o desgaste tribológico havia cortado os nanotubos de carbono. Para confirmar de forma independente que a fricção encurtou os nanotubos, Lance, coautor do ORNL, usou a espectroscopia Raman, uma técnica que mede a energia vibracional, relacionada à ligação atômica e à estrutura cristalina de um material. “A tribologia é um campo muito antigo, mas a ciência e a engenharia modernas forneceram uma nova abordagem científica para o avanço da tecnologia nessa área”, disse Qu. “O entendimento fundamental foi superficial até os últimos 20 anos, quando a tribologia ganhou uma nova vida. Mais recentemente, cientistas e engenheiros realmente se uniram para usar as tecnologias de caracterização de materiais mais avançadas — esse é um ponto forte do ORNL. A tribologia é muito multidisciplinar. Ninguém é especialista em tudo. Portanto, em tribologia, a chave para o sucesso é a colaboração.” Ele acrescentou: “Em algum lugar, você pode encontrar um cientista com experiência em nanotubos de carbono, um cientista com experiência em tribologia, um cientista com experiência em caracterização de materiais. Mas eles estão isolados. Aqui no ORNL, estamos juntos.” As equipes de tribologia do ORNL realizaram um trabalho premiado que atraiu parcerias industriais e licenciamento. Em 2014, um aditivo antidesgaste iônico para lubrificantes de motor com baixo consumo de combustível, desenvolvido pela ORNL, General Motors, Shell Global Solutions e Lubrizol, ganhou o prêmio R&D 100. Os colaboradores do ORNL foram Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West e Bruce Bunting. Da mesma forma, o trabalho descrito no artigo atual foi finalista do prêmio R&D 100 em 2020. E os pesquisadores solicitaram uma patente de seu novo revestimento de superlubricidade. “Em seguida, esperamos fazer parceria com a indústria para escrever uma proposta conjunta ao DOE para testar, amadurecer e licenciar a tecnologia”, disse Qu. “Em uma década, gostaríamos de ver veículos e usinas de energia de alto desempenho aprimorados com menos energia perdida por fricção e desgaste.”

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63138.php