Wetenschappers aan het Argonne’s nationaal laboratorium wisten een manier te bedenken om frictie te verminderen door het gebruik van kleine diamanten en grafeen.
Laat ons beginnen met frictie, of wrijving, voor hen die minder bekend zijn met deze termen: Als men een tas koffie een eindje over de tafel schuift zal de kop stoppen met zich verder te verplaatsen en uiteindelijk tot stilstand komen, net wegens de frictie tussen de twee oppervlakken die contact met elkaar hebben.
Met andere woorden, de kop ondervindt een zekere weerstand bij het glijden over het oppervlak en die zorgt ervoor dat er meer energie nodig is in de beweging om de kop van A naar B te loodsen.
Een gladder oppervlak zou dus energiebesparend werken in die omstandigheden.
Hetzelfde principe is van toepassing op alle machines die arbeid hoeven te verrichten en waar dus een zeker energieverlies kan optreden omwille van de wrijving tussen de bepaalde oppervlakken van de verschillende onderdelen in de werkomgeving.
Vaak wordt smeermiddel gebruikt om het kwaal te verhelpen, terwijl wetenschappers proberen dit verlies aan energie tegen te gaan door het maken van super gladde oppervlakken.
Supersmering (superlubricity in het Engels) is een verschijnsel dat voorkomt in uitzonderlijke situaties waar het wrijvingscoëfficiënt drastisch daalt en werd voorlopig alleen waargenomen in atomaire kristalstructuren – lagen grafeen met heuvels en valleien in het rooster – die van over elkaar schuiven.
Onzuiverheden in bulkmateriaal lieten tot op heden niet toe om dit verschijnsel uit te breiden naar grotere oppervlakken.
Een vijfkoppig team uit Argonne combineerden diamanten nanodeeltjes, kleine stukjes van grafeen – een tweedimensionale vorm van puur koolstof – en een diamantachtig koolstofmateriaal om de zeer gewenste eigenschap te creëren waarin de wrijving daalt tot bijna nul.
Volgens Erdemir, een onderzoeker uit het team, rolt het grafeen zich rond het diamanten deeltje wanneer flarden van grafeen en diamantdeeltjes wrijven tegen een groot diamantachtig koolstof oppervlak – iets dat lijkt op de creatie van een kogellager op nanoscopisch niveau.
“De interactie tussen het grafeen en het diamantachtig koolstof is essentieel voor het creëren van het supersmering effect”, vertelde hij.
“De twee materialen zijn afhankelijk van elkaar.”
Op atomair niveau treedt wrijving op wanneer atomen in materialen die tegen elkaar glijden in een ‘opgesloten toestand’ komen, waar extra energie vereist is om die te overwinnen.
“Je kunt eraan denken als het proberen om twee onderkanten van eierdozen tegen elkaar te schuiven”, zegt Diana Berman, een postdoctoraal onderzoeker aan CNM en een auteur van de studie. “Er zijn momenten waarbij de ligging van de openingen tussen de eieren – of in ons geval, de atomen – een verstrengeling veroorzaakt tussen de materialen die makkelijk glijden verhinderen.
Door het creëren van de grafeen ingekapselde diamanten kogellagers, of “rollen aka scrolls” heeft het team een manier gevonden om nanoschaal supersmering te vertalen in een macroschaal fenomeen. Omdat de ‘scrolls’ hun richting wijzigen tijdens het glijdende proces voorkomen voldoende diamanten deeltjes en grafeen flarden dat de twee oppervlakken in een opgesloten staat geraken.
Het team gebruikte grootschalige atomistische berekeningen op de Mira supercomputer om te bewijzen dat het effect niet alleen op nanoschaal kan aanschouwd worden , maar ook op de macroschaal.
Berman wist er aan toe te voegen dat dergelijke miniaturen kogellagers makkelijker te manoeuvreren en roteren zijn dan de simpele vlakken van grafeen of grafiet.
De wetenschappers waren wel wel verbaasd op te merken dat de supersmering niet gehandhaafd werd in een vochtige omgeving, terwijl dat in droge omstandigheden wel zo het geval was.
Omdat dit gedrag contra-intuïtief was wendde het team zich weer tot atomistische berekeningen.
“We zagen dat de scroll formatie werd geremd in de aanwezigheid van een waterlaag, daardoor de hogere wrijving”, aldus co-auteur en nanowetenschapper Subramanian Sankaranarayanan.
“Iedereen zou dromen van de mogelijkheid om supersmering te bereiken in een breed scala van mechanische systemen, maar het is een zeer moeilijk doel te bereiken,” zei Sanket Deshmukh, een ander CNM postdoctoraal onderzoeker die hielp met de studie.
“De opgedane kennis uit dit onderzoek,” voegde Sumant eraan toe, “zal cruciaal zijn in het vinden van manieren om de wrijving te verminderen in alles, van motoren en turbines tot harde schijven en micro-elektromechanische systemen.”
Source: Argonne National laboratory
Photo: AGL(Flickr)