Naučnici iz Nacionalne laboratorije Oak Ridž Ministarstva energetike izmislili su premaz koji bi mogao dramatično da smanji trenje u uobičajenim nosivim sistemima sa pokretnim delovima, od pogona vozila do vetroelektričnih i hidroelektričnih turbina. Smanjuje trenje trljanja čelika o čelik najmanje sto puta. Novi ORNL premaz mogao bi pomoći da se podmaže američka ekonomija koja svake godine gubi više od triliona dolara zbog trenja i habanja – što je ekvivalentno 5% bruto nacionalnog proizvoda.
„Kada komponente klize jedna pored druge, dolazi do trenja i habanja“, rekao je Jun Ku, vođa ORNL-ove grupe za površinsko inženjerstvo i tribologiju. Tribologija, od grčke reči za trljanje, je nauka i tehnologija interakcije površina u relativnom kretanju, kao što su zupčanici i ležajevi. „Ako smanjimo trenje, možemo smanjiti potrošnju energije. Ako smanjimo habanje, možemo produžiti životni vek sistema radi bolje izdržljivosti i pouzdanosti.“
Sa kolegama iz ORNL-a Čanakom Kumarom i Majklom Lensom, Ku je vodio studiju objavljenu u Materials Todai Nano o premazu sastavljenom od ugljeničnih nanocevi koji kliznim delovima daje superpodmazivanje. Superpodmazivanje je svojstvo da praktično ne pokazuje otpor klizanju; njegovo obeležje je koeficijent trenja manji od 0,01. Za poređenje, kada suvi metali klize jedan pored drugog, koeficijent trenja je oko 0,5. Kod uljnog maziva, koeficijent trenja pada na oko 0,1. Međutim, ORNL premaz je smanjio koeficijent trenja daleko ispod granične vrednosti za superpodmazivanje, na čak 0,001.
„Naše glavno dostignuće je što superpodmazivanje činimo izvodljivim za najčešće primene“, rekao je Ku. „Ranije ste ga videli samo u nanosmeru ili u specijalnim okruženjima.“
Za studiju, Kumara je uzgajao ugljenične nanocevi na čeličnim pločama. Sa mašinom koja se zove tribometar, on i Ku su učinili da se ploče trljaju jedna o drugu kako bi se stvorile strugotine od ugljeničnih nanocevi.
Višeslojne ugljenične nanocevi oblažu čelik, odbijaju korozivnu vlagu i funkcionišu kao rezervoar za mazivo. Kada se prvi put deponuju, vertikalno poređane ugljenične nanocevi stoje na površini kao vlati trave. Kada čelični delovi klize jedan pored drugog, oni u suštini „kose travu“. Svaka oštrica je šuplja, ali napravljena od više slojeva valjanog grafena, atomski tankog sloja ugljenika raspoređenog u susedne šestouglove poput pileće žice. Polomljeni ostaci ugljeničnih nanocevi od brijanja se ponovo odlažu na kontaktnu površinu, formirajući tribofilm bogat grafenom koji smanjuje trenje na skoro nulu.
Izrada ugljeničnih nanocevi je proces u više koraka. „Prvo, moramo da aktiviramo površinu čelika da bismo proizveli sićušne strukture, na skali veličine od nanometara. Drugo, moramo da obezbedimo izvor ugljenika za uzgoj ugljeničnih nanocevi“, rekao je Kumara. Zagrejao je disk od nerđajućeg čelika da bi na površini formirao čestice metalnog oksida. Zatim je upotrebio hemijsko taloženje pare da uvede ugljenik u obliku etanola, tako da čestice metalnog oksida mogu da spoje ugljenik tamo, atom po atom u obliku nanocevi.
Nove nanocevi ne pružaju superpodmazivanje dok se ne oštete. „Ugljenične nanocevi se uništavaju tokom trljanja, ali postaju nova stvar“, rekao je Ku. „Ključni deo je da su te polomljene ugljenične nanocevi komadi grafena. Ti delovi grafena su razmazani i povezani sa kontaktnom površinom, postajući ono što zovemo tribofilm, premaz koji se formira tokom procesa. Zatim su obe kontaktne površine prekrivene nekim grafenom bogatim premaz. Sada, kada se trljaju, to je grafen o grafenu.“
Prisustvo čak i jedne kapi ulja je ključno za postizanje superpodmazivanja. „Probali smo bez ulja; nije uspelo“, rekao je Ku. „Razlog je u tome što bez ulja trenje previše agresivno uklanja ugljenične nanocevi. Tada se tribofilm ne može lepo formirati niti dugo opstati. To je kao motor bez ulja. Dimi se za nekoliko minuta, dok onaj sa uljem može lako da radi godinama. “
Vrhunska klizavost ORNL premaza ima otpornost. Superpodmazivanje je opstalo u testovima od više od 500.000 ciklusa trljanja. Kumara je testirao performanse za neprekidno klizanje tokom tri sata, zatim jednog dana i kasnije 12 dana. „I dalje imamo superpodmazivanje“, rekao je. „Stabilno je.“
Koristeći elektronsku mikroskopiju, Kumara je pregledao pokošene fragmente kako bi dokazao da je tribološko trošenje prekinulo ugljenične nanocevi. Da bi nezavisno potvrdio da je trljanje skratilo nanocevi, ORNL koautor Lance je koristio Ramanovu spektroskopiju, tehniku koja meri energiju vibracija, koja je povezana sa atomskom vezom i kristalnom strukturom materijala.
„Tribologija je veoma stara oblast, ali su moderna nauka i inženjering pružili novi naučni pristup unapređenju tehnologije u ovoj oblasti“, rekao je Ku. „Osnovno razumevanje je bilo plitko sve do poslednjih možda 20 godina, kada je tribologija dobila novi život. Nedavno su se naučnici i inženjeri zaista udružili da koriste naprednije tehnologije karakterizacije materijala — to je snaga ORNL-a. Tribologija je veoma multidisciplinarna. Ne jedan je stručnjak za sve. Stoga je u tribologiji ključ uspeha saradnja.“
Dodao je: „Negde možete pronaći naučnika sa ekspertizom u ugljeničnim nanocevima, naučnika sa ekspertizom u tribologiji, naučnika sa ekspertizom u karakterizaciji materijala. Ali oni su izolovani. Ovde u ORNL-u, mi smo zajedno.“
ORNL-ovi tribološki timovi su uradili nagrađivani posao koji je privukao industrijska partnerstva i licenciranje. U 2014. godini, jonski aditiv protiv habanja za maziva motora sa ekonomičnom potrošnjom goriva, koji su razvili ORNL, General Motors, Shell Global Solutions i Lubrizol, osvojio je nagradu R&D 100. Saradnici ORNL-a bili su Ku, Huimin Luo, Sheng Dai, Peter Blau, Todd Toops, Brian Vest i Bruce Bunting.
Slično tome, rad opisan u ovom radu bio je finalista za nagradu R&D 100 2020. Istraživači su se prijavili za patent svog novog premaza supermazivosti.
„Dalje, nadamo se da ćemo se udružiti sa industrijom kako bismo napisali zajednički predlog DOE za testiranje, sazrevanje i licenciranje tehnologije“, rekao je Ku. „Za jednu deceniju želimo da vidimo poboljšana vozila visokih performansi i elektrane sa manje izgubljene energije zbog trenja i habanja.“
