(Phys.org) – Ibland, allt som krävs är en extremt liten mängd material för att göra stor skillnad. Forskare vid Argonne National Laboratory har nyligen upptäckt att de kan ersätta en atoms tjocka grafenlager med oljebaserade smörjmedel på glidande stålytor, vilket möjliggör en dramatisk minskning av mängden slitage och friktion.

Nya studier ledda av Argonne-materialforskarna Anirudha Sumant och Ali Erdemir visade att grafen drastiskt kan minska slitagehastigheten och friktionskoefficienten (COF) för stål. De markanta minskningarna av friktion och slitage tillskrivs grafenens låga skjuvning och mycket skyddande natur, vilket också förhindrade oxidation av stålytorna när de fanns vid glidande kontaktgränsytor.

Kullager i rostfritt stål utgör en integrerad del av många rörliga mekaniska maskiner, allt från bordsfläktar till gigantiska vindkraftverk.

"Att minska energi- och materialförlusterna i dessa rörliga mekaniska system på grund av friktion och slitage är fortfarande en av vår tids största tekniska utmaningar, sa Sumant.

Nuvarande smörjmedel minskar friktion och slitage antingen genom användning av miljöovänliga tillsatser, eller i vissa fall, fasta smörjmedel såsom molybdendisulfid eller borsyra. De oljebaserade smörjmedlen måste appliceras konsekvent igen, producerar ytterligare avfall. Kostnaden för att applicera fasta smörjmedelsbeläggningar är ganska hög och på grund av begränsad tjocklek, de håller inte särskilt länge och måste också appliceras dyrt igen.

Å andra sidan, beläggningar gjorda av grafenflingor är inte skadliga för miljön och kan hålla en avsevärd tid på grund av flingornas förmåga att omorientera sig under första slitagecykler, ger en låg COF under glidning.

Sumant och Erdemir uppskattade att den minskade förlusten av energi till friktion som erbjuds av nya material skulle ge en potentiell energibesparing på 2,46 miljarder kilowattimmar per år, motsvarande 420, 000 fat olja.

"Att applicera eller återapplicera grafenbeläggningen kräver inga ytterligare bearbetningssteg förutom att bara strö en liten mängd lösning på ytan av intresse, gör denna process enkel, kostnadseffektiv, och miljövänlig, sa Diana Berman, en postdoktor vid Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM).

"Det är intressant att se hur ett enatoms tjockt material påverkar egenskaperna i större skala, ", sa Sumant. "Jag tror att grafen har potential som ett fast smörjmedel i bilindustrin och, väl utvecklad, det kan ha positiva effekter på många mekaniska tillämpningar som kan leda till enorma energibesparingar."

Sumant är associerad med Argonnes CNM, medan Erdemir arbetar för Argonnes Energy Systems Division. Finansieringen kom från Argonnes laboratoriestyrda forsknings- och utvecklingskontor.

Teamet publicerade nyligen sina resultat i två på varandra följande artiklar i tidskriften med hög effekt Kol .