Solid toestand gebruikt atomisch dunne platen om extreem lage wrijving te bereiken

Het vinden van het juiste smeermiddel voor het juiste doel is een taak die vaak uiterst belangrijk is in de industrie. Niet alleen om wrijving, oververhitting en slijtage te verminderen, maar ook om energie te besparen. Bij Tu Wien werken de onderzoeksgroepen van Prof Carsten Gachot (Tribology, Mechanical Engineering) en Prof Dominik Eder (chemie) daarom samen om innovatieve, verbeterde smeermiddelen te ontwikkelen.

Het team heeft nu een nieuw type materiaal gepresenteerd met speciale eigenschappen: de smeermiddel COK-47 is geen vloeistof zoals smeerolie, maar een poederachtige vaste stof. Op een nanoschaal bestaat het uit stapels atomisch dunne vellen, als een kleine stapel kaarten.

Wanneer het materiaal in contact komt met watermoleculen, kunnen deze bloedplaatjes heel gemakkelijk langs elkaar glijden-een zogenaamde tribofilm wordt gecreëerd, wat zorgt voor extreem lage wrijving. Dit maakt COK-47 een zeer interessant smeermiddel in vochtige omstandigheden.

Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Geavanceerde wetenschap.

Organisch en anorganisch: het beste van twee werelden

Het onderzoeksteam werkt al jaren samen met Metal-Organic Frameworks (MOFS). Dit zijn een nieuwe klasse materialen die bestaan ​​uit anorganische bouwstenen verbonden door organische moleculen. Er zijn veel mogelijkheden om deze materialen op een atomair niveau aan te passen voor een specifiek doel – de groep van Dominik Eder heeft ze de afgelopen jaren bijvoorbeeld gebruikt als fotokatalysatoren voor waterstofproductie of voor waterzuivering.

In de meeste gevallen zijn metaal-organische raamwerkverbindingen nanodeeltjes die clusters van metaalatomen bevatten, gekoppeld door organische verbindingen. “De materiaal COK-47 heeft echter een belangrijke speciale functie”, legt chemicus Pablo Ayala uit, co-auteur van de huidige studie. “De anorganische componenten van dit materiaal zijn tweedimensionale vellen titaniumoxide-en dit beïnvloedt zijn gedrag dramatisch.”

Gedetailleerde onderzoeken hebben nu aangetoond dat in een vochtige omgeving watermoleculen de bindingen tussen de titaniumoxidebladen scheiden, waardoor de platte structuren langs elkaar kunnen glijden en dus een zogenaamde “tribofilm” kunnen vormen. Een dergelijke glijdende film kan uiterst effectief zijn in het verminderen van wrijving, bijvoorbeeld tussen twee bewegende delen in een machine.

Minimale wrijving, maximale duurzaamheid

“We vergeleken COK-47 met andere smeermiddelen uit de klasse van metaal-organische kaderverbindingen die tegenwoordig vaak worden gebruikt. COK-47 vertoonde een significant lagere wrijvingscoëfficiënt dan de andere”, zegt ingenieur Hanglin Li, eerste auteur van de studie. “COK-47 is ook aanzienlijk duurzamer in vergelijking met andere 2D-materialen-een ander belangrijk criterium in de praktijk.”

Met deze ontdekking heeft het team een ​​nieuw onderzoeksgebied geopend op het gebied van smeermiddelen in vaste toestand. Nu willen ze het gedrag van het materiaal verder verbeteren en onderzoeken hoe het kan worden aangepast aan verschillende, zeer specifieke toepassingen.