Superroosterfilms ontwikkeld om superlubriciteit op macroschaal te bereiken

Een onderzoeksgroep onder leiding van prof. Wang Liping van het Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), heeft in samenwerking met prof. Li Qunyang van Tsinghua University een universele superroosterfilm ontwikkeld die kan worden toegepast op mechanische onderdelen om superlubriciteit op macroschaal op lange termijn te bereiken met zelfverjonging. De studie is gepubliceerd in Cel meldt natuurkunde.

Geschat wordt dat ongeveer een derde van de wereldwijde energie wordt verbruikt om wrijving weg te werken, wat vrij gebruikelijk is in de natuur. Vermindering van wrijving tot een ultralaag niveau of zelfs een supersmerende toestand met een wrijvingscoëfficiënt in de orde van 10^-3 kan grote gevolgen hebben voor het menselijk leven. Het bereiken van robuuste superlubriciteit op macroschaal tussen droge vaste oppervlakken blijft echter een uitdaging, die in eerdere studies voornamelijk op nanometerschaal met lamellaire materialen is gerealiseerd.

Om deze uitdaging aan te gaan, ontwierpen de onderzoekers een universeel molybdeendisulfide (MoS₂) /keramische superroosterarchitectuur, die langdurige (bijna 300.000 glijdende cycli) superlubriciteit op macroschaal mogelijk maakt in mild vacuüm na een korte inloopperiode in lucht.

De nauwkeurige controle van de dikte van elke afzonderlijke sublaag binnen de dubbellaagse eenheid geeft de film zo’n uitstekende supergladheid (wrijvingscoëfficiënt van 0,006). Interessanter is dat het smeervermogen kan worden verjongd wanneer de film per ongeluk wordt blootgesteld aan lucht.

Aangenomen wordt dat de supergladde interface het gevolg is van het glijden van MoS₂-verpakte metaaloxiden (MeO_X) nanodeeltjes ingeklemd tussen zeer geordende MoS₂ schilfers, die het macroscopische contactgebied verdelen in talloze onvergelijkbare nanocontactzones om robuuste superlubriciteit te garanderen.

Profiterend van de robuuste superlubriciteit, werd de specifieke slijtagesnelheid van de superroosterfilm teruggebracht tot een ultralaag niveau in de orde van 10^-9 mm³ N^-1 M^-1.

Deze bevindingen bieden een nieuwe strategie voor het ontwerpen van veelzijdige vaste smeermiddelen, die kunnen bijdragen aan revolutionaire toepassingen zowel op de grond als in de ruimte.