Säg adjö till sloganen "diamanter är för alltid". För industrier som använder torrt smörjmedel, den kommande frasen är mer sannolikt att "brutna nanodiamanter är för evigt".

Forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory kombinerar nanodiamanter med tvådimensionella molybdendisulfidlager och bryter dem för att skapa en självgenererande, torrsmörjmedel med mycket låg friktion som håller så länge att det nästan kan förväxlas med för alltid. Ämnet kan ha hundratals industriella tillämpningar och kan användas praktiskt taget överallt där två metallbitar gnuggar ihop under torra förhållanden.

De vanligaste fasta smörjmedlen på marknaden idag har formen av grafitpasta. Vi använder dessa smörjmedel för att smörja dörrhandtag och cykelkedjor, bland annat.

2015, Anirudha Sumant från Nanoscience and Technology-divisionen och hans kollegor uppnådde ett genombrott inom solid smörjteknik genom att för första gången demonstrera supersmörjhet (nära nollfriktion) i teknisk skala genom att använda grafen i kombination med nanodiamanter. Detta tillvägagångssätt var revolutionerande, och sedan dess har hans grupp fortsatt att vidareutveckla tekniken.

Senast, Sumant ersatte grafenen i processen med molybdendisulfid, för att se hur andra 2-D-material skulle bete sig. Han förväntade sig att processen skulle likna den som observerades med grafen-nanodiamond smörjmedel. Dock, laget blev förvånade när Diana Berman, huvudförfattaren och Argonne postdoktor, kunde inte se nanodiamanter i materialet. Istället, hon hittade bollar av lökliknande kol.

Vad hände? Molybden-disulfiden bryts upp till molybden och svavel och reagerar med nanodiamanterna för att omvandla dem till lökliknande kol.

"Vi visste att boven måste vara svavel som skadar nanodiamanterna, men för oss hjälper det faktiskt, sa Sumant.

Argonne-teamet, som inkluderade Sumant, Diana Berman, Subramanian Sankaranarayanan, Badri Narayanan, Mathew Cherukara, Ali Erdemir och Alexander Zinovev, insåg att svaveldiffusion ökade belastningen i nanodiamanterna, därefter bryta dem och omvandla dem till lökliknande kol.

Detta var en välsignelse i förklädnad, sa Sankaranarayanan, eftersom deras ansträngningar också låste upp en annan hemlighet om hur andra 2D-material kommer att interagera med nanodiamanter med samma resultat.

Friktionen i denna nya kombination är 10 gånger lägre än för vissa nonstick-beläggningar inklusive fluorpolymerer, vilket innebär mindre värme och mindre slitage på delar och utrustning.

John Harvey, affärsutvecklingschef på Argonne, sa att han redan har haft ett betydande intresse av industrin för tekniken, även om Sumants tidning först nyligen publicerades i Naturkommunikation . Studien har titeln "Operando tribokemisk bildning av lökliknande kol leder till supersmörjighet i makroskala."

"Materialet som smörjmedlet används på kommer att hålla längre, och jag behöver inte oroa mig för flytande rester och att kasta ut oljiga trasor som en del av saneringsprocessen, " Sa Harvey. "Vi kan också använda den för att göra delar som vi inte kan göra idag, speciellt med metallstämpling."

Lökliknande kol, när det bildas, består av flera lager av sfäriska grafitskal som kan användas som torrsmörjmedel. Och processen att strö molybdendisulfid och nanodiamanter tillsammans skapar denna form av kol automatiskt, utan ytterligare kemisk applicering.

"Det är intressant att se att dessa kolbollar kan upprätthålla högt kontakttryck och, på grund av deras unika nanostruktur, kan glida lätt, skapar supersmörjhet, sade Ali Erdemir, Argonne Distinguished Fellow och medarbetare i denna studie.

"Vi har nu listat ut hur man genererar smörjmedel under glidning som kan hålla mycket längre än något annat fast smörjmedel, sa Sumant.

Medan molybdendisulfid är lite dyrare än grafen, mindre behövs i denna process.

"Mängden är så liten - några droppar för kilometers glidning - att kostnaden inte är ett problem, ", sa Sumant. Torrsmörjningsmetoden är också mycket renare att använda eftersom det inte finns några farliga kemikalier som kastas bort i denna process, han lade till.

Torra smörjmedel är redan vanliga i flera branscher. Dock, de används mest för tunnfilmsbeläggningar och är benägna att drabbas av katastrofala fellägen. Det Argonne-utvecklade supersmörjmedlet fungerar väldigt annorlunda än traditionella tunnfilmsbeläggningar. Det självgenererande smörjmedlet justerar sig kontinuerligt, så det håller längre.

"Detta representerar verkligen nästa generation av fast smörjmedel, sa Sumant.

De potentiella applikationerna inkluderar lager och mekaniska pumptätningar i torra applikationer såväl som i vindturbiner. Tekniken skulle även kunna användas inom dataindustrin; specifikt, i magnetiska skivenheter.

Argonne har redan tre patent på superlubricitetsteknologin, med patentsökt på detta genombrott, som snart är tillgänglig för licensiering.

Sumant och Erdemir skrev tillsammans en ny recension i ACS Nano på de senaste supersmörjningsteknologierna och upptäckterna inom området. Den här guidepostartikeln kan vara den första som sammanfattar det aktuella läget för global forskning om supersmörjhet med tvådimensionella material som grafen, hexagonal bornitrid och molybdendisulfid.