Du kan smörja en cykelkedja med olja, men vad gör man med en Marsrover eller ett glödhett löpande band inom stålindustrin? Mycket speciella nanomaterial har nu studerats av TU Wien tillsammans med forskargrupper från Saarbrücken (Tyskland), Purdue University i USA och Universidad de Chile (Santiago, Chile).

Materialklassen MXenes (uttalas "maxene") har orsakat en hel del uppståndelse de senaste åren i samband med nya batteriteknologier. Men det visar sig nu att de också är ett utmärkt fast smörjmedel som är extremt hållbart och utför sin uppgift även under de svåraste förhållanden. Dessa anmärkningsvärda egenskaper hos MXenes har nu publicerats i den berömda tidskriften ACS Nano .

Som en bunt papper

Precis som kolmaterialet grafen, MXenes tillhör klassen av så kallade 2D-material:deras egenskaper bestäms i huvudsak av det faktum att de är ultratunna skikt, enkla atomlager, utan starka bindningar till lagret ovanför eller under.

"Man börjar först med så kallade MAX-faser, som är speciella lagersystem bestående av titan, aluminium och kol, till exempel, " säger prof. Carsten Gachot, chef för Tribology Group vid Institutet för teknisk design och produktutveckling vid TU Wien. "Det avgörande tricket är att etsa ut aluminiumet med fluorvätesyra."

Det som då återstår är en stapel av atomärt tunna lager av titan och kol som ligger löst ovanpå varandra, ungefär som pappersark. Varje lager är relativt stabilt för sig, men lagren kan lätt flyttas mot varandra.

Denna förskjutbarhet av atomskikten mellan varandra gör materialet till ett utmärkt torrt smörjmedel:utan att generera nötning, extremt lågt motstånd är glidning möjlig. Friktionen mellan stålytor kunde därmed reduceras till en sjättedel – och med exceptionellt hög slitstyrka:även efter 100, 000 rörelsecykler, MXene-smörjskiktet fungerar fortfarande utan problem.

Detta är perfekt för användning under svåra förhållanden:Även om smörjolja skulle avdunsta omedelbart i ett vakuum under rymduppdrag, till exempel, Där kan även MXene i form av fint pulver användas.

Oberoende av atmosfär och temperatur

"Liknande saker har prövats med andra tunnfilmsmaterial, såsom grafen eller molybdendisulfid, ", säger Carsten Gachot. "Men de reagerar känsligt på fukt i atmosfären. Vattenmolekyler kan förändra bindningskrafterna mellan de enskilda lagren. Med MXenes, å andra sidan, detta spelar en mindre roll."

En annan avgörande fördel är värmebeständigheten hos MXenes:"Många smörjmedel oxiderar vid hög värme och förlorar sin smörjighet. MXenes, å andra sidan, är mycket stabilare, och kan även användas inom stålindustrin, där mekaniskt rörliga delar ibland kan nå en temperatur på flera hundra grader Celsius, " förklarar Gachot.

Det pulverformiga smörjmedlet undersöktes i flera experiment vid TU Wien av Dr Philipp Grützmacher från Prof. Gachots forskargrupp samt vid Saarland University i Saarbrücken och Purdue University i USA. I andra änden av världen, Prof. Andreas Rosenkranz i Chile spelade en stor roll i initieringen och utformningen av arbetet.

"Det finns redan ett stort intresse för dessa material från industrins sida. Vi antar att sådana MXener snart kan produceras i större skala, säger Carsten Gachot.