När en bils motor är felaktigt smord, det kan bli en stor hit för plånboken och miljön.

För den genomsnittliga bilen, 15 procent av bränsleförbrukningen går åt till att övervinna friktionen i motor och transmission. När friktionen är hög, växlar måste arbeta hårdare för att flytta. Det betyder att bilen förbränner mer bränsle och släpper ut mer koldioxid i atmosfären.

"Varje år, miljontals ton bränsle går till spillo på grund av friktion, sade Jiaxing Huang, docent i materialvetenskap och teknik vid Northwestern Universitys McCormick School of Engineering. "Det är ett allvarligt problem."

Även om olja hjälper till att minska denna friktion, människor har länge letat efter tillsatser som förbättrar oljans prestanda. Huang och hans medarbetare upptäckte att skrynkliga grafenkulor är en extremt lovande smörjmedelstillsats. I en serie tester, olja modifierad med skrynkliga grafenkulor överträffade vissa kommersiella smörjmedel med 15 procent, både när det gäller att minska friktionen och graden av slitage på stålytor.

Med stöd av Office of Naval Research, lagets forskning beskrivs i en artikel publicerad online den 25 januari i Proceedings of the National Academy of Sciences . Xuan Dou, en doktorand i Huangs laboratorium, är tidningens första författare. Northwestern Engineerings Yip-Wah Chung, professor i materialvetenskap och teknik, och Q. Jane Wang, professor i maskinteknik, är också författare på tidningen.

För ungefär fem år sedan, Huang upptäckte skrynkliga grafenkulor - en ny typ av ultrafina partiklar som liknar skrynkliga papperskulor. Partiklarna tillverkas genom att torka små vattendroppar med grafenbaserade ark inuti. "Kapillärkraft som genereras av avdunstning av vatten skrynlar ihop arken till miniatyriserade papperskulor, "Sade Huang. "Precis som hur vi skrynklar ihop ett papper med händerna."

Kort efter att ha gjort denna upptäckt, Huang förklarade det för Chung under en lunch i Hong Kong genom att skrynkla ihop en servett och jonglera med den. "När bollen landade på bordet, det rullade, " Mindes Chung. "Det påminde mig om kullager som rullar mellan ytorna för att minska friktionen."

Det där "a-ha!" ögonblick ledde till ett samarbete mellan de två professorerna och Wang, som var mitt uppe i redigeringen av en ny Encyclopedia of Tribology med Chung.

Nanopartiklar, särskilt kolnanopartiklar, tidigare har studerats för att hjälpa till att öka smörjningen av olja. Partiklarna, dock, sprids inte bra i olja och tenderar istället att klumpas ihop, vilket gör dem mindre effektiva för smörjning. Partiklarna kan fastna mellan växelns ytor vilket orsakar kraftig aggregering som ökar friktion och slitage. För att övervinna detta problem, tidigare forskare har modifierat partiklarna med extra kemikalier, kallas ytaktiva ämnen, för att få dem att skingras. Men detta löser fortfarande inte problemet helt.

"Under friktion, de ytaktiva molekylerna kan gnida av och sönderdelas, " sade Chung. "När det händer, partiklarna klumpar ihop sig igen."

På grund av deras unika form, skrynkliga grafenkulor sprider sig själv utan att behöva ytaktiva ämnen som attraheras av olja. Med sina spetsiga ytor, de kan inte få närkontakt med de andra grafenkulorna. Även när de kläms ihop, de separeras lätt igen när de störs.

Huang och hans team fann också att prestandan hos skrynkliga grafenbollar inte är känsliga för deras koncentrationer i oljan. "Ett fåtal är redan tillräckligt, och om du ökar koncentrationen med 10 gånger, prestandan är ungefär densamma, ", sa Huang. "För alla andra koltillsatser, sådan prestanda är mycket koncentrationskänslig. Du måste hitta den söta platsen."

"Problemet med att hitta en sweet spot är att, Under operationen, den lokala koncentrationen av partiklar nära ytorna under smörjning kan fluktuera, ", tillade Wang. "Detta leder till instabil prestanda för de flesta andra tillsatspartiklar."

Nästa, teamet planerar att utforska den ytterligare fördelen med att använda skrynkliga grafenkulor i olja:de kan också användas som bärare. Eftersom de bollliknande partiklarna har stor yta och öppna ytor, de är bra bärare för material med andra funktioner, såsom korrosionsinhibering.