När NASA:s Mars Perseverance Rover fortsätter att utforska Mars yta, forskare på jorden har utvecklat en ny metallkarbid i nanoskala som kan fungera som ett "supersmörjmedel" för att minska slitaget på framtida rovers.

Forskare vid Missouri University of Science and Technologys kemiavdelning och Argonne National Laboratory's Center for Nanoscale Materials, arbetar med en klass av tvådimensionella nanomaterial som kallas MXenes, har upptäckt att materialen fungerar bra för att minska friktionen. Materialen bör också prestera bättre än konventionella oljebaserade smörjmedel i extrema miljöer, säger Dr Vadym Mochalin, docent i kemi vid Missouri S&T, vem som leder forskningen.

"Dessa supersmörjande material är av speciellt intresse för avancerade antislitage- och smörjtillämpningar under extrema förhållanden, som de som nu upplevs av Perseverance-rovern på Mars, " säger Mochalin. Han och hans kollegor beskriver sin upptäckt i en tidning publicerad i mars 2021-upplagan av tidskriften Material idag går framåt ("Att uppnå supersmörjbarhet med 2D-övergångsmetallkarbider (MXenes) och MXene/grafenbeläggningar").

Mochalin säger att han skapade kopplingen mellan denna forskning och Perseverances resa till Mars efter att ha sett roverlandningen.

"När jag såg landningen av rover på Mars, Jag tänkte:"Vad händer om smörjmedlet i ett av dess hjul misslyckas? Sedan gjorde jag kopplingen till vårt arbete med MXenes, eftersom det kom att tänka på att vi just har funnit att MXener uppvisar supersmörjbarhet i en atmosfär som saknar syre och fuktighet, nära det som finns på Mars, " säger Mochalin.

MXener (uttalas Maxines) är metallkarbidmaterial som har ovanliga egenskaper. Till exempel, deras förmåga att leda elektricitet gör dem till kandidater för användning i energilagring, avkänning och optoelektronik. I denna senaste studie av materialen, Mochalin och hans team genomförde en serie tester för att fastställa hur väl de fungerar som smörjmedel i fast tillstånd med vissa material.

Forskarna genomförde friktionstester på nanometerskala genom att deponera en titankarbid MXene på ett kiselsubstrat (skivan) som var belagt med ett tunt lager av kiseldioxid, som är huvudingrediensen i sand. De testade sedan MXenens förmåga att motstå slitage genom att skjuta den mot en diamantliknande kolbelagd stålkula. De genomförde dessa tester i en torr kvävemiljö, vilket kraftigt minskar luftfuktigheten.

Mochalin säger att testerna fann att MXene-gränssnittet mellan stålkulan och kiseldioxidbelagd skiva resulterade i en friktionskoefficient i "superlubric-regimen" på 0,0067 till 0,0017. Friktionskoefficienten hänvisar till mängden friktion mellan två föremål och bestäms av ett värde som vanligtvis är mellan 0 och 1. Ju lägre värde, desto mindre friktion.

När teamet lade till grafen till titankarbinen MXene, resultatet blev ännu bättre. Att lägga till grafen "minskade friktionen ytterligare med 37,3% och slitaget med faktorn 2" utan att påverka MXenens supersmörjmedelsegenskaper, skriver forskarna i sin uppsats.

"Dessa resultat öppnar upp nya möjligheter för att utforska familjen av MXenes i olika tribologiska tillämpningar, " skriver Mochalin och hans kollegor. Tribologi är studiet av friktion, slitage och smörjning av samverkande ytor.

Jordnära fördelar

Även om sådana supersmörjmedel kan visa sig användbara för maskiner i utomjordiska miljöer - från Mars-rovers till asteroidgruvutrustning - kan de också ha mer jordnära fördelar. Till skillnad från oljebaserade smörjmedel, MXenes skulle inte förlita sig på icke-förnybara energikällor som kol eller petroleum, säger Mochalin.