Feuchtigkeit kann der Schlüssel zum „Schalter“ der Super-Gleitfähigkeit sein

Manchmal ist Reibung gut, wie die Reibung zwischen einer Straße und den Reifen eines Autos, um zu verhindern, dass das Fahrzeug ins Schleudern gerät. Aber manchmal ist die Reibung schlecht – wenn Sie nicht genau dasselbe Auto mit Öl füllen würden, gäbe es so viel Reibung in den Lagern des Motors, dass das Auto nicht funktionieren könnte.

Ein als Superschmierfähigkeit bekannter Materialzustand, bei dem die Reibung zwischen zwei sich berührenden Oberflächen nahezu verschwindet, ist ein Phänomen, das Materialforscher seit Jahren aufgrund des Potenzials zur Reduzierung der Energiekosten und des Verschleißes von Geräten, zwei Hauptnachteilen der Reibung, untersucht haben. Es gibt jedoch Zeiten, in denen Reibung innerhalb desselben Geräts benötigt wird, und die Möglichkeit, die Superschmierung ein- und auszuschalten, wäre ein Segen für mehrere praktische technische Anwendungen.

Seong Kim, angesehener Professor für Chemieingenieurwesen und stellvertretender Leiter des Department of Chemical Engineering an der Penn State, und Zhe Chen, Forscher am State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems und am Department of Mechanical Engineering der Zhejiang University, schlugen vor ein Studium im Angewandte Materialien heute dass sich dieser Superschmierschalter in Feuchtigkeit befinden kann. Insbesondere Wasserdampf und Dampf in Phenol, einer Familie organischer Verbindungen.

Superschmierfähigkeit ist eine Schlüsseleigenschaft bestimmter zweidimensionaler (2D) Materialien, die aus einer einzigen Atomschicht bestehen, insbesondere Graphen und Molybdändisulfid. Graphen wird häufig als Festschmierstoff in Form einer Beschichtung auf verschiedenen Materialien wie Metallen und Kunststoffen verwendet. Bei Graphen sind die Atome hexagonal ausgerichtet, was diese Berg-und-Tal-Landschaft ähnlich einer Supermarkt-Eierkiste bildet.

„Wenn Sie in den Laden gehen, um die Kiste mit 36 ​​Eiern zu kaufen, haben Sie Gipfel und Täler, eine stark gewellte Struktur“, sagte Kim. „Wenn man zwei Eierkisten so übereinander stellt, dass die Gitter einander gegenüberliegen und zueinander passen, ist es extrem schwierig, übereinander zu gleiten, da die Spitzen des einen im Tal des anderen liegen. Aber wenn man den einen ein bisschen dreht Die Spitzen gehen also nicht in die Täler, sie können sehr leicht gleiten und daher kann Graphen eine Super-Gleitfähigkeit haben.“

Die Reduzierung der Reibung auf nahezu Null ist ein Segen, um den Verschleiß mechanischer Geräte zu verringern und Energie zu sparen. Es kann aber auch etwas Unerwünschtes sein.

„Da die Reibung etwa 25 bis 30 % des Energieverlusts in Lastwagen und Autos verursacht und Maschinenteile verschleißen kann, kann es gut sein, sie zu beseitigen“, sagte Kim. „Sie können sich jedoch vorstellen, dass wir keine Traktion haben, wenn wir die Reibung vollständig entfernen. Wenn wir keine Traktion haben, ist es extrem schwierig, ein Fahrzeug oder eine andere Maschine in ihrer Bewegung zu kontrollieren.“

Dies macht die Fähigkeit, die Super-Schmierfähigkeit ein- und auszuschalten, wichtig; Es wurde jedoch lange Zeit als äußerst schwierig, ja sogar unmöglich angesehen. In letzter Zeit wurde diese Super-Gleitfähigkeit als möglicher angesehen, mit Ideen, die mechanische Kraft, Lichteinwirkung usw. als mögliche Möglichkeiten zum Ein- und Ausschalten beinhalten.

Kim und sein Team haben jedoch vielversprechende Ergebnisse erzielt, indem sie die Umgebung verändert haben, nämlich sie durch Wasser und Phenoldampf feuchter gemacht haben.

Sie verwendeten eine Siliziumoxidsonde auf einer Basisebene aus Graphit, um zu demonstrieren, wie dies möglich sein könnte. Silizium wird häufig in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) verwendet, die winzige bewegliche Teile haben und in Geräten wie Beschleunigungsmessern in Apple Watches und Mobiltelefonen zur Geschwindigkeitsmessung verwendet werden.

Die Forscher fanden heraus, dass die nanoskalige Superschmierfähigkeit zwischen der Silikaspitze und der Graphenoberfläche durch die Adsorption verschiedener Moleküle aus der Umgebung eingestellt werden kann. Sie entdeckten, dass die extrem niedrige Reibung durch Wasserdampf um das 25-fache und durch Phenoldampf um das 45-fache erhöht werden kann. Wenn das Wasser auf einer Kieselsäureoberfläche adsorbiert wird, bildet es eine Nanostruktur, die der Struktur ähnelt, die es in seinem festen Zustand, Eis, hat.

„Wenn wir die Luftfeuchtigkeit erhöhen, befindet sich Wasser auf der Siliziumdioxidoberfläche“, sagte Kim. „Wir können die Struktur so neu anordnen, dass das Eisgitter mit dem Graphitgitter übereinstimmt. Die atomare Riffelung passt zusammen, dann steigt die Reibung. Diese Studie legt nahe, dass, wenn wir eine Möglichkeit finden könnten, die Oberflächenfeuchtigkeit des Materials zu kontrollieren, das würde es dem Siliziumdioxid ermöglichen, auf eine technischere Weise auf der Graphitoberfläche zu gleiten. Sobald wir das tun, können wir die Super-Schmierfähigkeit ein- und ausschalten.“

Einer der nächsten Schritte für diese Forschung wäre die Verbesserung des Prozesses, um praktische Anwendungen für diese Technik zu ermöglichen. Kim merkt an, dass eine groß angelegte Makroanwendung eines Super-Lubricity-Schalters zwar noch in weiter Ferne liegt, MEMS-Anwendungen in Geräten wie Mobiltelefonen und Fitbits jedoch in kürzerer Zeit möglich sind.

„Da es sich um so kleine Geräte handelt, ist die Betätigungskraft so gering, dass jede Reibung das Gerät töten kann, und um solche Ausfallprobleme zu vermeiden, haben viele MEMS-Geräte chlorierte Kohlenstoffbeschichtungen, aber das sind organische Beschichtungen“, sagte Kim . „Und dann können diese organischen Beschichtungen den wiederholten Zyklen nicht lange standhalten, weil sie sich abnutzen. Aber wenn wir Graphen als Beschichtung einsetzen und dann die Reibung ein- und ausschalten können, dann können wir eine sehr präzise Bewegungssteuerung haben . Und Ingenieure können dann auf alte frühere Geräte und Technologien zurückgreifen, die entwickelt wurden, aber wegen der Reibungsprobleme nicht verwendet werden konnten. Dies könnte zu besseren oder sogar neuen Geräten führen.“

Kim bemerkte auch, dass dieses Forschungspapier eine grundlegende Interpretationsstudie ist, und er weist darauf hin, dass die Entdeckung, die in dieser Forschung gemacht wurde, für die Bedeutung der Grundlagenforschung spricht.

„Wir wären nicht in der Lage, diese Art von Entdeckung zu machen, wenn wir uns nur unsere Veröffentlichungen ansehen und nicht die grundlegende Arbeit leisten würden“, sagte Kim. „Einige mögen denken, dass Durchbrüche von selbst kommen, aber es steckt viel Aufwand dahinter. Wir dürfen nicht vergessen, die Grundlagenforschung zu betreiben, die zu diesen Forschungskooperationen und Entdeckungen führt.“