Acoperirea cu supralubricitate din nanotuburi de carbon ar putea reduce pierderile economice cauzate de frecare și uzură

07 iunie 2023 (Știri Nanowerk) Oamenii de știință de la Laboratorul Național Oak Ridge al Departamentului de Energie au inventat o acoperire care ar putea reduce dramatic frecarea în sistemele portante obișnuite cu piese în mișcare, de la trenurile de propulsie ale vehiculelor până la turbinele eoliene și hidroelectrice. Reduce frecarea frecării oțelului pe oțel de cel puțin o sută de ori. Noua acoperire ORNL ar putea ajuta la ungerea unei economii americane care pierde în fiecare an peste 1 trilion de dolari din cauza frecării și uzurii - echivalentul a 5% din produsul național brut. „Când componentele alunecă unele pe lângă altele, există frecare și uzură”, a spus Jun Qu, liderul grupului de inginerie și tribologie a suprafețelor din cadrul ORNL. Tribologia, din cuvântul grecesc pentru frecare, este știința și tehnologia suprafețelor care interacționează în mișcare relativă, cum ar fi roți dințate și rulmenți. „Dacă reducem frecarea, putem reduce consumul de energie. Dacă reducem uzura, putem prelungi durata de viață a sistemului pentru o mai bună durabilitate și fiabilitate.” Împreună cu colegii ORNL Chanaka Kumara și Michael Lance, Qu a condus un studiu publicat în Materiale Astăzi Nano ("Macroscale superlubricity by a sacrificial carbon nanotube coating") despre o acoperire compusă din nanotuburi de carbon care conferă supralubricitate pieselor de alunecare. Superlubricitatea este proprietatea de a nu prezenta practic nicio rezistență la alunecare; semnul său distinctiv este un coeficient de frecare mai mic de 0.01. În comparație, atunci când metalele uscate alunecă unele pe lângă altele, coeficientul de frecare este de aproximativ 0.5. Cu un lubrifiant cu ulei, coeficientul de frecare scade la aproximativ 0.1. Cu toate acestea, acoperirea ORNL a redus coeficientul de frecare mult sub limita pentru superlubricitate, până la 0.001. Nanotuburile de carbon aliniate vertical de la ORNL reduc frecarea la aproape zero pentru a îmbunătăți eficiența energetică. (Imagine: Chanaka Kumara, ORNL) „Principala noastră realizare este că facem superlubricitatea fezabilă pentru cele mai comune aplicații”, a spus Qu. „Înainte, îl vedeai doar în medii la scară nanometrică sau de specialitate.” Pentru studiu, Kumara a crescut nanotuburi de carbon pe plăci de oțel. Cu o mașină numită tribometru, el și Qu au făcut plăcile să se frece una de cealaltă pentru a genera așchii de nanotuburi de carbon. Nanotuburile de carbon cu pereți multipli acoperă oțelul, resping umezeala coroziva și funcționează ca un rezervor de lubrifiant. Când sunt depuse pentru prima dată, nanotuburile de carbon aliniate vertical stau la suprafață ca fire de iarbă. Când piesele de oțel alunecă unele pe lângă altele, ele în esență „tăie iarba”. Fiecare lamă este goală, dar este făcută din mai multe straturi de laminat grafen, o foaie de carbon subțire din punct de vedere atomic dispusă în hexagoane adiacente ca sârmă de pui. Resturile de nanotuburi de carbon fracturate de la barbierit sunt redepuse pe suprafața de contact, formând un tribofilm bogat în grafen care reduce frecarea la aproape zero. Realizarea nanotuburilor de carbon este un proces în mai multe etape. „În primul rând, trebuie să activăm suprafața de oțel pentru a produce structuri minuscule, la scara de mărime a nanometrilor. În al doilea rând, trebuie să oferim o sursă de carbon pentru a crește nanotuburile de carbon”, a spus Kumara. A încălzit un disc de oțel inoxidabil pentru a forma particule de oxid de metal la suprafață. Apoi a folosit depunerea chimică de vapori pentru a introduce carbon sub formă de etanol, astfel încât particulele de oxid de metal să poată uni acolo carbon, atom cu atom sub formă de nanotuburi. Noile nanotuburi nu oferă superlubricitate până când nu sunt deteriorate. „Nanotuburile de carbon sunt distruse prin frecare, dar devin un lucru nou”, a spus Qu. „Partea cheie este că acele nanotuburi de carbon fracturate sunt bucăți de grafen. Acele bucăți de grafen sunt mânjite și conectate la zona de contact, devenind ceea ce numim tribofilm, o acoperire formată în timpul procesului. Apoi, ambele suprafețe de contact sunt acoperite de o acoperire bogată în grafen. Acum, când se freacă unul pe altul, este grafen pe grafen.” Un disc din oțel inoxidabil a fost încălzit pentru a crea particule de fier și oxid de nichel pe suprafața sa. (Imagine: Carlos Jones, ORNL) Prezența chiar și a unei picături de ulei este crucială pentru obținerea superlubricității. „Am încercat-o fără ulei; nu a funcționat”, a spus Qu. „Motivul este că, fără ulei, frecarea îndepărtează nanotuburile de carbon prea agresiv. Atunci tribofilmul nu se poate forma frumos sau nu poate supraviețui mult timp. E ca un motor fără ulei. Se fumează în câteva minute, în timp ce unul cu ulei poate funcționa cu ușurință ani de zile.” Alunecarea superioară a stratului ORNL are putere de rezistență. Superlubricitatea a persistat în teste de peste 500,000 de cicluri de frecare. Kumara a testat performanțele pentru alunecare continuă timp de trei ore, apoi o zi și mai târziu 12 zile. „Avem încă superlubricitate”, a spus el. „Este stabil.” Folosind microscopia electronică, Kumara a examinat fragmentele cosite pentru a dovedi că uzura tribologică a tăiat nanotuburile de carbon. Pentru a confirma în mod independent că frecarea a scurtat nanotuburile, co-autorul ORNL Lance a folosit spectroscopia Raman, o tehnică care măsoară energia vibrațională, care este legată de legătura atomică și structura cristalină a unui material. „Tribologia este un domeniu foarte vechi, dar știința și inginerie moderne au oferit o nouă abordare științifică pentru a avansa tehnologia în acest domeniu”, a spus Qu. „Înțelegerea fundamentală a fost superficială până în ultimii poate 20 de ani, când tribologia a primit o nouă viață. Mai recent, oamenii de știință și inginerii s-au reunit într-adevăr pentru a folosi tehnologiile mai avansate de caracterizare a materialelor - acesta este un punct forte ORNL. Tribologia este foarte multidisciplinară. Nimeni nu este expert în toate. Prin urmare, în tribologie, cheia succesului este colaborarea.” El a adăugat: „Undeva, puteți găsi un om de știință cu experiență în nanotuburi de carbon, un om de știință cu experiență în tribologie, un om de știință cu experiență în caracterizarea materialelor. Dar sunt izolați. Aici, la ORNL, suntem împreună.” Echipele de tribologie ale ORNL au realizat lucrări premiate care au atras parteneriate industriale și licențiere. În 2014, un aditiv ionic anti-uzură pentru lubrifianții motoare eficiente din punct de vedere al combustibilului, dezvoltat de ORNL, General Motors, Shell Global Solutions și Lubrizol, a câștigat un premiu R&D 100. Colaboratorii ORNL au fost Qu, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian West și Bruce Bunting. În mod similar, munca descrisă în lucrarea actuală a fost finalistă pentru un premiu R&D 100 în 2020. Iar cercetătorii au solicitat un brevet pentru noua lor acoperire cu superlubricitate. „În continuare, sperăm să colaborăm cu industria pentru a scrie o propunere comună către DOE pentru a testa, maturiza și licenția tehnologia”, a spus Qu. „Într-un deceniu ne-ar plăcea să vedem vehicule de înaltă performanță și centrale electrice îmbunătățite, cu mai puțină energie pierdută prin frecare și uzură.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• EVM Finance. Interfață unificată pentru finanțare descentralizată. Accesați Aici.
• Grupul Quantum Media. IR/PR amplificat. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63138.php