Il rivestimento superlubrificante potrebbe ridurre le perdite economiche dovute all’attrito e all’usura

Jan 06, 2024

7 giugno 2023

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di Dawn Levy, Laboratorio nazionale di Oak Ridge

Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno inventato un rivestimento che potrebbe ridurre drasticamente l'attrito nei comuni sistemi portanti con parti in movimento, dai treni di trasmissione dei veicoli alle turbine eoliche e idroelettriche. Riduce di almeno cento volte l'attrito dello sfregamento dell'acciaio sull'acciaio. Il nuovo rivestimento ORNL potrebbe aiutare a lubrificare l’economia americana che ogni anno perde più di 1 trilione di dollari a causa dell’attrito e dell’usura, equivalenti al 5% del prodotto nazionale lordo.

"Quando i componenti scivolano uno accanto all'altro, c'è attrito e usura", ha affermato Jun Qu, leader del gruppo Surface Engineering and Tribology dell'ORNL. La tribologia, dalla parola greca che significa sfregamento, è la scienza e la tecnologia delle superfici interagenti in movimento relativo, come ingranaggi e cuscinetti. "Se riduciamo l'attrito, possiamo ridurre il consumo di energia. Se riduciamo l'usura, possiamo allungare la durata del sistema per una migliore durata e affidabilità."

Con i colleghi dell'ORNL Chanaka Kumara e Michael Lance, Qu ha condotto uno studio pubblicato su Materials Today Nano su un rivestimento composto da nanotubi di carbonio che conferisce superlubrificazione alle parti scorrevoli. 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.

"Il nostro risultato principale è che abbiamo reso la superlubrificabilità fattibile per le applicazioni più comuni", ha affermato Qu. "Prima, lo vedresti solo in ambienti su scala nanometrica o specialistici."

Per lo studio, Kumara ha coltivato nanotubi di carbonio su piastre di acciaio. Con una macchina chiamata tribometro, lui e Qu hanno fatto sfregare le piastre l'una contro l'altra per generare trucioli di nanotubi di carbonio.

I nanotubi di carbonio a pareti multiple 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.

Realizzare i nanotubi di carbonio è un processo in più fasi. "In primo luogo, dobbiamo attivare la superficie dell'acciaio per produrre minuscole strutture, su scala nanometrica. In secondo luogo, dobbiamo fornire una fonte di carbonio per far crescere i nanotubi di carbonio", ha affermato Kumara. Ha riscaldato un disco di acciaio inossidabile per formare particelle di ossido metallico sulla superficie. Quindi ha utilizzato la deposizione chimica da vapore per introdurre carbonio sotto forma di etanolo in modo che le particelle di ossido di metallo possano cucire lì il carbonio, atomo per atomo sotto forma di nanotubi.

I nuovi nanotubi non forniscono superlubrificazione finché non vengono danneggiati. "I nanotubi di carbonio vengono distrutti nello sfregamento ma diventano una cosa nuova", ha detto Qu. "La parte fondamentale è che i nanotubi di carbonio fratturati sono pezzi di grafene. Questi 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 ricoperte da una sostanza ricca di grafene". rivestimento. Ora, quando si sfregano tra loro, è grafene su grafene."