Il team ORNL sviluppa il carbonio

Dec 21, 2023

Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno sviluppato un rivestimento composto da nanotubi di carbonio che conferisce superlubrificazione alle parti scorrevoli. Riduce di almeno cento volte l'attrito dello sfregamento dell'acciaio sull'acciaio. Un articolo sul rivestimento è pubblicato sulla rivista Materials Today Nano.

La superlubrificabilità è la proprietà di non mostrare praticamente alcuna resistenza allo scorrimento; la sua caratteristica è un coefficiente di attrito inferiore a 0,01. In confronto, quando i metalli secchi scivolano uno accanto all’altro, il coefficiente di attrito è di circa 0,5. Con un olio lubrificante il coefficiente di attrito scende a circa 0,1. Tuttavia, il rivestimento ORNL ha ridotto il coefficiente di attrito molto al di sotto del valore limite per la superlubrificazione, fino a 0,001.

Per lo studio, i ricercatori hanno coltivato nanotubi di carbonio su piastre di acciaio, quindi, con una macchina chiamata tribometro, hanno fatto sfregare le piastre l’una contro l’altra per generare trucioli di nanotubi di carbonio.

I nanotubi di carbonio a parete multipla rivestono l'acciaio, respingono l'umidità corrosiva e funzionano come un serbatoio di lubrificante. Quando vengono depositati per la prima volta, i nanotubi di carbonio allineati verticalmente stanno sulla superficie come fili d’erba. Quando le parti in acciaio scivolano una accanto all'altra, essenzialmente "tagliano l'erba". Ogni lama è cava ma composta da più strati di grafene laminato, un foglio di carbonio atomicamente sottile disposto in esagoni adiacenti come una rete metallica. I detriti fratturati di nanotubi di carbonio derivanti dalla rasatura vengono ridepositati sulla superficie di contatto, formando un tribofilm ricco di grafene che riduce l'attrito quasi a zero.

Kumara et al.

I nuovi nanotubi non forniscono superlubrificazione finché non vengono danneggiati.

I nanotubi di carbonio vengono distrutti nello sfregamento ma diventano una cosa nuova. La parte fondamentale è che i nanotubi di carbonio fratturati sono pezzi di grafene. Quei pezzi di grafene vengono spalmati e collegati all'area di contatto, diventando quello che chiamiamo tribofilm, un rivestimento formato durante il processo. Quindi entrambe le superfici di contatto sono coperte da un rivestimento ricco di grafene. Ora, quando si sfregano tra loro, è grafene su grafene.

La presenza anche di una sola goccia di olio è fondamentale per ottenere la superlubrificabilità.

L'abbiamo provato senza olio; non ha funzionato. Il motivo è che senza olio l’attrito rimuove i nanotubi di carbonio in modo troppo aggressivo. Quindi il tribofilm non può formarsi bene o sopravvivere a lungo. È come un motore senza olio. Fuma in pochi minuti, mentre quello ad olio può funzionare tranquillamente per anni.

La scivolosità superiore del rivestimento ORNL garantisce resistenza. La superlubrificazione è persistita in test di oltre 500.000 cicli di sfregamento.

I ricercatori hanno richiesto un brevetto per il loro nuovo rivestimento superlubrificante.

Il programma di sementi di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di ORNL ha fornito il supporto iniziale al lavoro di prova di concetto. Successivamente l'Ufficio per le tecnologie dell'energia solare e l'Ufficio per le tecnologie dei veicoli dell'EERE del DOE hanno sostenuto la ricerca successiva.

Risorse

Chanaka Kumara, Michael J. Lance, Jun Qu (2023) "Superlubrificanza su macroscala mediante un rivestimento sacrificale di nanotubi di carbonio", Materials Today Nano doi: 10.1016/j.mtnano.2022.100297.

Pubblicato l'8 giugno 2023 in Attrito, Grafene, Contesto di mercato, Nanotecnologie | Collegamento permanente | Commenti (2)