Dì addio allo slogan "i diamanti sono per sempre". Per le industrie che utilizzano lubrificanti secchi, la frase emergente è più probabile che sia "i nanodiamanti rotti sono per sempre".

I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) stanno combinando nanodiamanti con strati bidimensionali di disolfuro di molibdeno e li frantumano per creare un materiale autogenerante, lubrificante secco a bassissimo attrito che dura così a lungo da essere quasi confuso con l'eternità. La sostanza potrebbe avere centinaia di applicazioni industriali e può essere utilizzata virtualmente ovunque due pezzi di metallo sfregano insieme in condizioni asciutte.

I lubrificanti solidi più comunemente usati oggi sul mercato sono sotto forma di pasta di grafite. Usiamo questi lubrificanti per ingrassare le maniglie delle porte e le catene delle biciclette, tra l'altro.

Nel 2015, Anirudha Sumant della divisione Nanoscience and Technology e i suoi colleghi hanno raggiunto una svolta nella tecnologia della lubrificazione solida dimostrando per la prima volta la superlubrificazione (attrito vicino allo zero) su scala ingegneristica utilizzando grafene combinato con nanodiamanti. Questo approccio era rivoluzionario, e da allora il suo gruppo ha continuato a sviluppare ulteriormente la tecnologia.

Più recentemente, Sumant ha sostituito il grafene nel processo con bisolfuro di molibdeno, per vedere come si comporteranno altri materiali 2-D. Si aspettava che il processo assomigliasse a quello osservato con il lubrificante al grafene-nanodiamante. Però, la squadra è rimasta sorpresa quando Diana Berman, l'autore principale e borsista post-dottorato Argonne, non riusciva a vedere i nanodiamanti nel materiale. Anziché, trovò palline di carbone simile a una cipolla.

Cosa stava succedendo? Il bisolfuro di molibdeno si stava scindendo in molibdeno e zolfo e reagiva con i nanodiamanti per convertirli in carbonio simile a una cipolla.

"Sapevamo che il colpevole doveva essere lo zolfo che danneggiava i nanodiamanti, ma per noi in realtà aiuta, " ha detto Suman.

Il team Argonne, che includeva Sumant, Diana Berman, Sankaranarayanan subramaniano, Badri Narayanan, Matteo Cherukara, Ali Erdemir e Aleksandr Zinovev, si rese conto che la diffusione dello zolfo stava aumentando la deformazione nei nanodiamanti, successivamente rompendoli e convertendoli in carbonio simile a una cipolla.

Questa era una benedizione mascherata, disse Sankaranarayanan, poiché i loro sforzi hanno anche svelato un altro segreto di come altri materiali 2-D interagiranno con i nanodiamanti con lo stesso risultato.

L'attrito in questa nuova combinazione è 10 volte inferiore a quello di alcuni rivestimenti antiaderenti inclusi i fluoropolimeri, il che significa meno calore e meno usura di parti e attrezzature.

John Harvey, dirigente dello sviluppo aziendale presso Argonne, ha detto che ha già avuto una quantità significativa di interesse del settore nella tecnologia, anche se l'articolo di Sumant è stato pubblicato solo di recente in Comunicazioni sulla natura . Lo studio è intitolato "Operando la formazione tribochimica di carbonio simile alla cipolla porta a una superlubrificazione su macroscala".

"Il materiale su cui viene utilizzato il lubrificante durerà più a lungo, e non devo preoccuparmi dei residui liquidi e del lancio di stracci oleosi come parte del processo di pulizia, " ha detto Harvey. "Possiamo anche usarlo per fare parti che non possiamo fare oggi, soprattutto con lo stampaggio del metallo."

Carbone simile alla cipolla, quando si forma, è costituito da diversi strati di gusci di grafite sferici che possono essere utilizzati come lubrificante secco. E il processo di spruzzatura di bisolfuro di molibdeno e nanodiamanti crea automaticamente questa forma di carbonio, senza alcuna applicazione chimica aggiuntiva.

"È interessante vedere che queste sfere di carbonio possono sostenere un'elevata pressione di contatto e, grazie alla loro nanostruttura unica, può scivolare facilmente, creando la superlubricità, " ha detto Alì Erdemir, Argonne Distinguished Fellow e collaboratore in questo studio.

"Ora abbiamo capito come generare lubrificanti durante lo scorrimento che possano durare molto più a lungo di qualsiasi altro lubrificante solido, " ha detto Suman.

Mentre il bisolfuro di molibdeno è un po' più costoso del grafene, è necessario meno in questo processo.

"La quantità è così piccola, poche gocce per chilometri di scorrimento, che il costo non è un problema, " Ha detto Sumant. Il metodo di lubrificazione a secco è anche molto più pulito per l'uso perché non ci sono sostanze chimiche pericolose che vengono gettate via in questo processo, Ha aggiunto.

I lubrificanti secchi sono già comuni in diversi settori. Però, sono principalmente utilizzati per rivestimenti a film sottile e sono soggetti a modalità di guasto catastrofico. Il superlubrificante sviluppato da Argonne funziona in modo molto diverso dai tradizionali rivestimenti a film sottile. Il lubrificante autogenerante si riaggiusta continuamente, quindi dura di più.

"Questo rappresenta davvero la prossima generazione di lubrificanti solidi, " ha detto Suman.

Le potenziali applicazioni includono cuscinetti e tenute per pompe meccaniche in applicazioni a secco e turbine eoliche. La tecnologia potrebbe essere utilizzata anche nell'industria informatica; nello specifico, nelle unità a disco magnetico.

Argonne ha già tre brevetti sulla tecnologia della superlubrificazione, con un brevetto in corso di registrazione su questa svolta, che sarà presto disponibile per la licenza.

Sumant ed Erdemir hanno scritto una recensione recente su ACS Nano sulle più attuali tecnologie e scoperte di superlubrificazione nel campo. Questo articolo guida potrebbe essere il primo a riassumere lo stato attuale della ricerca globale sulla superlubricità utilizzando materiali bidimensionali come il grafene, nitruro di boro esagonale e bisolfuro di molibdeno.