Vochtigheid kan de sleutel zijn tot de ‘schakelaar’ van supersmeerheid

Soms is wrijving goed, zoals de wrijving tussen een wegdek en de banden van een auto om te voorkomen dat het voertuig gaat slippen. Maar soms is wrijving slecht – als je geen olie in diezelfde auto zou doen, zou er zoveel wrijving in de lagers van de motor zijn dat de auto niet zou kunnen werken.

Een materiële toestand die bekend staat als super-lubriciteit, waarbij wrijving tussen twee contactoppervlakken bijna verdwijnt, is een fenomeen dat materiaalonderzoekers jarenlang hebben bestudeerd vanwege het potentieel om de energiekosten en slijtage van apparaten te verminderen, twee belangrijke nadelen van wrijving. Er zijn echter momenten waarop wrijving binnen hetzelfde apparaat nodig is, en de mogelijkheid om supersmering aan en uit te zetten zou een zegen zijn voor meerdere praktische technische toepassingen.

Seong Kim, vooraanstaand hoogleraar chemische technologie en geassocieerd hoofd van de afdeling Chemische Technologie aan de Penn State, en Zhe Chen, een onderzoeker bij het State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems en de afdeling Werktuigbouwkunde aan de Zhejiang University, stelden voor in een studie binnen Toegepaste materialen vandaag dat deze supersmerende schakelaar in vochtigheid kan worden gevonden. Met name waterdamp en damp in fenol, een familie van organische verbindingen.

Supergladheid is een belangrijk kenmerk van bepaalde tweedimensionale (2D) materialen, die uit een enkele laag atomen bestaan, met name grafeen en molybdeendisulfide. Grafeen wordt vaak gebruikt als vast smeermiddel, in de vorm van een coating op verschillende materialen zoals metalen en kunststoffen. Bij grafeen zijn de atomen zeshoekig georiënteerd, wat dit berg-en-dallandschap vormt, net als een eierkrat in een supermarkt.

“Als je naar de winkel gaat om de kist met 36 eieren te kopen, heb je pieken en dalen, een sterk gegolfde structuur,” zei Kim. “Als je twee eierkratten op elkaar zet zodat de roosters naar elkaar toe wijzen en bij elkaar passen, is het extreem moeilijk om over elkaar te schuiven omdat de toppen van de ene in het dal van de andere liggen. Maar als je de ene een beetje draait zodat de pieken niet in de dalen gaan, ze kunnen heel gemakkelijk glijden en daarom kan grafeen superglad zijn.”

Het verminderen van wrijving tot bijna nul is een zegen voor het verminderen van slijtage aan mechanische apparaten en voor het besparen van energie. Maar het kan ook iets ongewensts zijn.

“Omdat de wrijving ongeveer 25% tot 30% van het energieverlies in vrachtwagens en auto’s veroorzaakt en machineonderdelen kan verslijten, kan het goed zijn om het te elimineren,” zei Kim. “Je kunt je echter voorstellen dat als we de wrijving volledig wegnemen, we geen tractie hebben. Als we geen tractie hebben, dan maakt dat een voertuig of andere machine extreem moeilijk om zijn beweging te beheersen.”

Dit maakt de mogelijkheid om super-lubriciteit aan en uit te zetten belangrijk; het is echter lang beschouwd als iets dat buitengewoon moeilijk is om te doen, zelfs onmogelijk. Onlangs werd gedacht dat deze supergladheid meer mogelijk was, met ideeën over mechanische kracht, blootstelling aan licht, enz. Als mogelijke manieren om het aan en uit te zetten.

Kim en zijn team hebben echter veelbelovende resultaten gevonden door de omgeving te veranderen, namelijk door deze vochtiger te maken via water en fenoldamp.

Ze gebruikten een sonde van siliciumoxide op een basisvlak van grafiet om aan te tonen hoe dit mogelijk zou kunnen zijn. Silicium wordt vaak gebruikt in micro-elektromechanische systemen (MEMS) met kleine bewegende delen en wordt gebruikt in apparaten zoals de versnellingsmeters in Apple Watches en mobiele telefoons om de snelheid te meten.

De onderzoekers ontdekten dat de supergladheid op nanoschaal tussen de silicatip en het grafeenoppervlak kan worden afgestemd door adsorptie van verschillende moleculen uit de omgeving. Ze ontdekten dat superlage wrijving 25 keer kan worden verhoogd door waterdamp en 45 keer door fenoldamp. Wanneer het water wordt geadsorbeerd op een silica-oppervlak, vormt het een nanostructuur die lijkt op de structuur die het heeft in zijn vaste toestand, ijs.

“Als we de luchtvochtigheid verhogen, bevindt er zich water op het oppervlak van siliciumdioxide”, zei Kim. “We kunnen de structuur zo herschikken dat het ijsrooster overeenkomt met het grafietrooster. De atomaire golving past bij elkaar, dan neemt de wrijving toe. Deze studie suggereert dat als we een manier zouden kunnen vinden om de oppervlaktevochtigheid van het materiaal te beheersen, dat zou het mogelijk maken dat de silica op een meer geconstrueerde manier over het grafietoppervlak glijdt. Zodra we dat doen, kunnen we supersmeerbaarheid aan en uit zetten. ”

Een van de volgende stappen voor dit onderzoek zou het verbeteren van het proces zijn om praktische toepassingen voor deze techniek mogelijk te maken. Kim merkt op dat hoewel een grootschalige macro-toepassing van een super-smerende schakelaar misschien nog ver weg is, MEMS-toepassingen in apparaten zoals mobiele telefoons en Fitbits mogelijk zijn in een korter tijdsbestek.

“Omdat het zulke kleine apparaten zijn, is de bedieningskracht zo klein, dus elke wrijving kan het apparaat doden en om dergelijke storingsproblemen te voorkomen, hebben veel MEMS-apparaten de gechloreerde koolstofcoatings, maar dit zijn organische coatings,” zei Kim. . “En dan kunnen die organische coatings de herhaalde cycli niet lang volhouden omdat ze slijten. Maar als we grafeen als coating kunnen aanbrengen en dan kunnen we de wrijving aan en uit regelen, dan kunnen we een zeer nauwkeurige bewegingscontrole hebben. En ingenieurs kunnen dan die oude eerdere apparaten en technologieën opnieuw bekijken die zijn ontwikkeld maar niet konden worden gebruikt vanwege de wrijvingsproblemen. Dit zou kunnen leiden tot betere of zelfs nieuwe apparaten. ”

Kim merkte ook op dat dit onderzoeksartikel een fundamentele interpretatieve studie is, en hij wijst erop dat de ontdekking die in dit onderzoek is gedaan, spreekt over het belang van fundamentele wetenschap.

“We zouden dit soort ontdekkingen niet kunnen doen als we alleen maar naar onze publicaties kijken en het basiswerk niet doen”, zei Kim. “Sommigen denken misschien dat doorbraken vanzelf komen, maar er gaat veel moeite in zitten. We mogen de fundamentele wetenschap die tot deze onderzoekssamenwerkingen en ontdekkingen leidt niet vergeten.”