Smörjbarhet mäter minskningen av mekanisk friktion och slitage av ett smörjmedel. Dessa är huvudorsakerna till komponentfel och energiförlust i mekaniska och elektromekaniska system. Till exempel, en tredjedel av den bränslebaserade energin i fordon går åt till att övervinna friktionen. Så supersmörjhet – tillståndet med ultralåg friktion och slitage – lovar stort för att minska friktionsslitage i mekaniska och automatiska enheter.

En ny gemensam studie från Tel Aviv University/Tsinghua University visar att robust strukturell supersmörjhet kan uppnås mellan olika, material i mikroskala under höga yttre belastningar och omgivningsförhållanden. Forskarna fann att mikroskaliga gränssnitt mellan grafit och hexagonal bornitrid uppvisar ultralåg friktion och slitage. Detta är en viktig milstolpe för framtida tekniska tillämpningar i rymden, bil, elektronik och medicinsk industri.

Forskningen är resultatet av ett samarbete mellan Prof. Oded Hod och Prof. Michael Urbakh från TAU:s School of Chemistry; och Prof. Ming Ma och Prof. Quanshui Zheng vid Tsinghua Universitys avdelning för maskinteknik och deras kollegor. Den genomfördes under överinseende av det gemensamma TAU-Tsinghua samarbetscentret XIN Center och publicerades i Naturmaterial den 30 juli.

Enorma konsekvenser för datorer och andra enheter

Det nya gränssnittet är sex storleksordningar större i yta än tidigare mätningar i nanoskala och uppvisar robust supersmörjhet i alla gränssnittsorienteringar och under omgivande förhållanden.

"Superlubricitet är ett mycket spännande fysiskt fenomen, ett tillstånd av praktiskt taget noll eller ultralåg friktion mellan två kontaktytor, " säger Prof. Hod. "De praktiska konsekvenserna av att uppnå robust supersmörjhet i makroskopiska dimensioner är enorma. De förväntade energibesparingarna och förebyggande av slitage är enorma."

"Denna upptäckt kan leda till en ny generation av hårddiskar med en högre täthet av lagrad information och ökad hastighet för informationsöverföring, till exempel, ", tillägger Prof. Urbakh. "Detta kan också användas i en ny generation kullager för att minska rotationsfriktionen och stödja radiella och axiella belastningar. Deras energiförluster och slitage kommer att vara betydligt lägre än i befintliga enheter."

Den experimentella delen av forskningen utfördes med hjälp av atomkraftmikroskop vid Tsinghua och de helt atomistiska datorsimuleringarna slutfördes vid TAU. Forskarna karakteriserade också graden av kristallinitet hos de grafitiska ytorna genom att utföra spektroskopimätningar.

Nära samarbete

Studien härrörde från en tidigare förutsägelse av teoretiska och beräkningsgrupper vid TAU att robust strukturell supersmörjhet kunde uppnås genom att bilda gränssnitt mellan materialen grafen och hexagonal bornitrid. "Dessa två material är för närvarande i nyheterna efter 2010 års Nobelpris i fysik, som belönades för banbrytande experiment med det tvådimensionella materialet grafen. Superlubricity är en av deras mest lovande praktiska tillämpningar, säger Prof. Hod.

"Vår studie är ett nära samarbete mellan TAU:s teoretiska och beräkningsgrupper och Tsinghuas experimentgrupp, " säger Prof. Urbakh. "Det finns ett synergiskt samarbete mellan grupperna. Teori och beräkningsfoderlaboratorieexperiment som, i tur och ordning, ge viktiga insikter och värdefulla resultat som kan rationaliseras via beräkningsstudierna för att förfina teorin."

Forskargrupperna fortsätter att samarbeta inom detta område och studerar grunderna för superlubricitet, dess omfattande tillämpningar och dess effekt i allt större gränssnitt.