Alla som någonsin har tagit in sin bil för ett oljebyte inser vikten av att minska friktionen som uppstår när stål berör stål.

Forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har arbetat i flera år för att ersätta olja med fasta smörjmedel som grafen, som är ett billigare och mer effektivt substitut, en som håller betydligt längre.

Argonne's Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Program, vilket gav dem fröpengarna de behövde för att påbörja sina experiment, ursprungligen finansierade Argonne-forskarna Anirudha Sumant och Ali Erdemirs arbete.

Grafen kan också användas för att bättre skydda kullager, som kan korrodera med tiden när de utsätts för vatten, processen som vanligtvis kallas tribokorrosion. Den Argonne-utvecklade processen baserad på grafen har visat att några lager grafen inte bara minskar friktionen i stål som gnider mot stål med sju gånger och slitaget med 10, 000 gånger men minskar också avsevärt tribo-korrosionsproblemet.

"Det är en betydande förbättring jämfört med alla andra befintliga beläggningar av fasta smörjmedel som finns tillgänglig idag, " sa Sumant. "Också, mängden grafen som behövs är mycket liten och därför är kostnaden mycket lägre och eliminering av oljeavfall skulle vara mer miljövänligt, vilket är en stor sidofördel."

Sumant och hans kollegors arbete har långtgående konsekvenser både inom och utanför bilindustrin. Det kan hjälpa vindkraftverk att röra sig med större lätthet, så att de kan producera mer energi. Det kan också bättre stänga av maskiner eftersom det pumpar olja eller gas från marken eller ut till havs.

Argonne-teamet, ledd av Sumant, som är forskare vid Center for Nanoscale Materials, fortsatte med att vinna ytterligare två anslag på totalt 1,4 miljoner dollar från det amerikanska energidepartementet.

Det var genom den initiala LDRD-finansieringen som de erkände grafen som ett framväxande fast smörjmedel, en som fungerar annorlunda än befintliga oljebaserade och andra fasta smörjmedel, inklusive grafitolja och till och med diamantliknande kol.

Inte bara presterar grafen bättre, det är billigare. Även grafen av måttlig kvalitet fungerar utmärkt för tribologiska tillämpningar, vilket inte är fallet för olika elektronik- och sensortillämpningar.

Merparten av kostnaderna för konventionella fasta smörjmedelsbeläggningar hänför sig till den infrastruktur som behövs för att applicera den, inklusive elektriciteten för att driva relaterade maskiner och maskinernas underhåll. Inte så med grafen, som kan appliceras genom att spraya en lösning i luften och kan belägga vilken komplicerad form eller storlek som helst – och över en stor yta.

I ett försök att föra ut sina upptäckter till marknaden, Sumant och hans team arbetar för närvarande med två olika företag i vitt skilda branscher.

Den första är en av världens ledande leverantörer av mekaniska pumptätningar. Det arbetar med forskarna för att ersätta dess kiselkarbidtätningar med grafen, vilket skulle minska slitage och friktion.

Teamet planerar också att arbeta med ett annat företag från bilsektorn, som använder formar för att skapa bildelar, inklusive dörrpaneler. Argonne-forskare försöker utveckla ett nytt smörjmedel som kan minska friktionen i metallformningsapplikationer och därmed sänka kostnaderna för biltillverkning.

Vivian Sullivan, LDRD programchef på Argonne, sade att grafenexperimentet är ett utmärkt exempel på hur grundläggande vetenskap kan användas för praktiska medel utanför laboratoriet.

"Upptäckter som denna har verkliga tillämpningar, vilket är exakt vad DOE letar efter, " sa hon. "Det är därför avdelningen kastade sitt stöd bakom detta projekt efter den första omgången av LDRD-finansiering."

LDRD stöder högrisk, potentiellt högvärdig forskning och utveckling. Det uppmuntrar skapandet av nya tekniska koncept och förbättrar de nationella laboratoriernas förmåga att fullfölja sina egna strategiska mål såväl som de federala finansieringsorganens.

"Det är ett av de huvudsakliga sätten som labben ständigt förnyar sin forskning på, " sa Supratik Guha, Argonnes Senior Science Advisor och chef för Nanoscience and Technology-divisionen och Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science User Facility.