När man försöker konstruera ett mekaniskt system för att hålla så länge som möjligt, forskare och ingenjörer måste hitta sätt att övervinna friktion. Medan forskare har hittat många material som hjälper till att minska friktion, konventionella smörjmedel har ofta kemiska begränsningar. En färsk analys vid US Department of Energy's Argonne National Laboratory har identifierat egenskaperna hos en nyare, exceptionellt slitstarkt ämne som fungerar i ett bredare spektrum av miljöer.

Nanovetenskapsmannen Anirudha Sumant och hans kollegor vid Argonnes Center for Nanoscale Materials och Argonnes Energy Systems-avdelning applicerade ett atom-tjockt lager av grafen, en tvådimensionell form av kol, mellan en stålkula och en stålskiva. De fann att bara det enda lagret av grafen varade i mer än 6, 500 "slitcykler, "en dramatisk förbättring jämfört med konventionella smörjmedel som grafit eller molybdendisulfid.

"För jämförelse, "Sumant sa, "konventionella smörjmedel skulle behöva cirka 1, 000 lager för att hålla i 1, 000 slitage. Det är en enorm fördel när det gäller kostnadsbesparingar med mycket bättre prestanda. "

Grafit har använts som ett industriellt smörjmedel i mer än 40 år, men inte utan vissa nackdelar, Sumant förklarade. "Grafit begränsas av det faktum att det verkligen bara fungerar i fuktiga miljöer. Om du har en torr inställning, det kommer inte att vara nästan lika effektivt, " han sa.

Denna begränsning härrör från att grafit-till skillnad från grafen-har en tredimensionell struktur. Vattenmolekylerna i den fuktiga luften skapar halka genom att väva sig mellan grafitens kolark. När det inte finns tillräckligt med vattenmolekyler i luften, materialet tappar sin slankhet.

Molybden -disulfid, ett annat vanligt smörjmedel, har det omvända problemet, Sumant sa. Det fungerar i torra miljöer men inte bra i våta miljöer. "Utmaningen är i huvudsak att hitta ett enda universalolja som fungerar bra för mekaniska system, oavsett var de är, " han sa.

Graphens tvådimensionella struktur ger den en betydande fördel. "Materialet kan bindas direkt till ytan på den rostfria kulan, gör det så perfekt att även väteatomer inte kan tränga in i det, "sade Argonne materialvetare Ali Erdemir, en medarbetare i studien som testade grafenbelagda stålytor i sitt labb.

I en tidigare studie i Materials Today, Sumant och hans kollegor visade att några lager grafen fungerar lika bra i fuktiga och torra miljöer som ett fast smörjmedel, lösa det 40-åriga pusslet om att hitta ett felfritt fast smörjmedel. Dock, laget ville gå längre och testa bara ett enda grafenlager.

Medan du gör det i en miljö som innehåller molekyler av rent väte, de observerade en dramatisk förbättring av grafenens livslängd. När grafenmonoskiktet så småningom börjar slita, väteatomer hoppar in för att reparera gallret, som att sy ihop ett täcke. "Väte kan bara komma in i tyget där det redan finns en öppning, "sa Subramanian Sankaranarayanan, en Argonne-beräkningsvetare och medförfattare i denna studie. Det betyder att grafenskiktet förblir intakt längre.

Forskare hade tidigare gjort experiment för att förstå den mekaniska styrkan hos ett enda ark grafen, men Argonne-studien är den första som förklarar den extraordinära slitstyrkan hos en atomtjock grafen.

En artikel baserad på forskningen, "Extraordinärt makroskala slitstyrka för ett atomtjockt grafenlager, "dök upp i den 26 augusti upplagan av Avancerade funktionella material . Argonne postdoktorala forskare Diana Berman och Sanket Deshmukh är andra författare till denna studie.