2D nanomateriaal MXene: het perfecte smeermiddel voor rovers

Je kunt een fietsketting smeren met olie, maar wat doe je met een Marsrover of een gloeiend hete lopende band in de staalindustrie? Heel bijzondere nanomaterialen zijn inmiddels bestudeerd door de TU Wien samen met onderzoeksgroepen uit Saarbrücken (Duitsland), Purdue University in de VS en de Universidad de Chile (Santiago, Chili).

De materiaalklasse van MXenes (uitgesproken als “maxene”) heeft de afgelopen jaren voor veel opschudding gezorgd in verband met nieuwe batterijtechnologieën. Maar nu blijkt dat ze ook een uitstekend vast smeermiddel zijn dat extreem duurzaam is en zelfs onder de moeilijkste omstandigheden zijn taak vervult. Deze opmerkelijke eigenschappen van MXenes zijn nu gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift ACS Nano​

Als een stapel vellen papier

MXenen behoren net als het koolstofmateriaal grafeen tot de klasse van de zogenaamde 2D-materialen: hun eigenschappen worden in wezen bepaald door het feit dat het ultradunne lagen zijn, enkelvoudige atomaire lagen, zonder sterke binding met de laag erboven of eronder.

“Je begint eerst met zogenaamde MAX-fasen, dit zijn speciale laagsystemen van bijvoorbeeld titanium, aluminium en koolstof”, zegt prof. Carsten Gachot, hoofd van de Tribology Group bij het Institute of Engineering Design and Product Development aan de TU. Wien. “De cruciale truc is om het aluminium eruit te etsen met fluorwaterstofzuur.”

Wat dan overblijft is een stapel atomair dunne lagen titanium en koolstof die losjes op elkaar liggen, net als vellen papier. Elke laag is op zichzelf relatief stabiel, maar de lagen kunnen gemakkelijk tegen elkaar worden verschoven.

Deze verplaatsbaarheid van de atomaire lagen onder elkaar maakt het materiaal tot een uitstekend droog smeermiddel: zonder slijtage te veroorzaken, wordt een extreem lage weerstand glijden mogelijk gemaakt. De wrijving tussen stalen oppervlakken kon zo worden teruggebracht tot een zesde – en met een uitzonderlijk hoge slijtvastheid: zelfs na 100.000 bewegingscycli functioneert de MXene-smeerlaag nog steeds probleemloos.

Dit is perfect voor gebruik onder moeilijke omstandigheden: terwijl smeerolie tijdens ruimtemissies bijvoorbeeld direct zou verdampen in een vacuüm, kan MXene in de vorm van fijn poeder daar ook worden gebruikt.

Onafhankelijk van sfeer en temperatuur

“Soortgelijke dingen zijn geprobeerd met andere dunne-filmmaterialen, zoals grafeen of molybdeendisulfide”, zegt Carsten Gachot. “Maar ze reageren gevoelig op vocht in de atmosfeer. Watermoleculen kunnen de bindingskrachten tussen de afzonderlijke lagen veranderen. Bij MXenes speelt dit daarentegen een mindere rol.”

Een ander doorslaggevend voordeel is de hittebestendigheid van MXenes: “Veel smeermiddelen oxideren bij hoge temperaturen en verliezen hun smeervermogen. MXenes daarentegen zijn veel stabieler en kunnen zelfs gebruikt worden in de staalindustrie, waar mechanisch bewegende onderdelen soms bereiken een temperatuur van enkele honderden graden Celsius ”, legt Gachot uit.

Het poedervormige smeermiddel werd onderzocht in verschillende experimenten aan de TU Wien door Dr. Philipp Grützmacher van de onderzoeksgroep van Prof. Gachot en aan de Saarland University in Saarbrücken en Purdue University in de VS. Aan de andere kant van de wereld speelde prof. Andreas Rosenkranz in Chili een grote rol bij het initiëren en vormgeven van het werk.

“Ook vanuit de industrie is er al veel belangstelling voor deze materialen. We gaan ervan uit dat dergelijke MXenes binnenkort op grotere schaal geproduceerd kunnen worden”, zegt Carsten Gachot.