El equipo de ORNL desarrolla carbono

Dec 21, 2023

Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han desarrollado un revestimiento compuesto de nanotubos de carbono que imparte superlubricidad a las piezas deslizantes. Reduce la fricción del roce de acero sobre acero al menos cien veces. Se publica un artículo sobre el recubrimiento en la revista Materials Today Nano.

La superlubricidad es la propiedad de no mostrar virtualmente resistencia al deslizamiento; su sello distintivo es un coeficiente de fricción inferior a 0,01. En comparación, cuando los metales secos se deslizan entre sí, el coeficiente de fricción es de alrededor de 0,5. Con un aceite lubricante, el coeficiente de fricción cae a alrededor de 0,1. Sin embargo, el revestimiento ORNL redujo el coeficiente de fricción muy por debajo del límite de superlubricidad, hasta un mínimo de 0,001.

Para el estudio, los investigadores cultivaron nanotubos de carbono en placas de acero, luego, con una máquina llamada tribómetro, hicieron que las placas se frotaran entre sí para generar virutas de nanotubos de carbono.

Los nanotubos de carbono de paredes múltiples recubren el acero, repelen la humedad corrosiva y funcionan como depósito de lubricante. Cuando se depositan por primera vez, los nanotubos de carbono alineados verticalmente se paran en la superficie como briznas de hierba. Cuando las piezas de acero se deslizan entre sí, esencialmente "cortan el césped". Cada hoja es hueca pero está hecha de múltiples capas de grafeno laminado, una hoja de carbono atómicamente delgada dispuesta en hexágonos adyacentes como alambre de gallinero. Los restos de nanotubos de carbono fracturados del afeitado se vuelven a depositar en la superficie de contacto, formando una tribopelícula rica en grafeno que reduce la fricción a casi cero.

Kumara et al.

Los nuevos nanotubos no proporcionan superlubricidad hasta que se dañan.

Los nanotubos de carbono se destruyen al frotarlos, pero se convierten en algo nuevo. La parte clave es que esos nanotubos de carbono fracturados son piezas de grafeno. Esas piezas de grafeno se untan y se conectan al área de contacto, convirtiéndose en lo que llamamos tribofilm, un recubrimiento formado durante el proceso. Luego, ambas superficies de contacto están cubiertas por un recubrimiento rico en grafeno. Ahora, cuando se frotan entre sí, es grafeno sobre grafeno.

La presencia de una sola gota de aceite es crucial para lograr una superlubricidad.

Lo probamos sin aceite; no funcionó La razón es que, sin aceite, la fricción elimina los nanotubos de carbono de forma demasiado agresiva. Entonces el tribofilm no puede formarse bien o sobrevivir mucho tiempo. Es como un motor sin aceite. Humea en unos pocos minutos, mientras que uno con aceite puede funcionar fácilmente durante años.

La capacidad de deslizamiento superior del recubrimiento ORNL tiene poder de permanencia. Superlubricidad persistió en pruebas de más de 500.000 ciclos de frotamiento.

Los investigadores han solicitado una patente para su novedoso revestimiento de superlubricidad.

El Programa Semilla de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de ORNL brindó el apoyo inicial al trabajo de prueba de concepto. Luego, la Oficina de Tecnologías de Energía Solar y la Oficina de Tecnologías de Vehículos en el EERE del DOE apoyaron la investigación de seguimiento.

Recursos

Chanaka Kumara, Michael J. Lance, Jun Qu (2023) "Superlubricidad a macroescala mediante un revestimiento de nanotubos de carbono de sacrificio", Materials Today Nano doi: 10.1016/j.mtnano.2022.100297.

Publicado el 08 de junio de 2023 en Antecedentes del mercado, Fricción, Grafeno, Nanotecnología | Enlace permanente | Comentarios (2)