Mentre il Mars Perseverance Rover della NASA continua ad esplorare la superficie di Marte, gli scienziati sulla Terra hanno sviluppato un nuovo carburo metallico su scala nanometrica che potrebbe fungere da "superlubrificante" per ridurre l'usura sui futuri rover.

Ricercatori del dipartimento di chimica della Missouri University of Science and Technology e del Centro per i materiali su nanoscala dell'Argonne National Laboratory, lavorando con una classe di nanomateriali bidimensionali noti come MXenes, hanno scoperto che i materiali funzionano bene per ridurre l'attrito. I materiali dovrebbero anche funzionare meglio dei lubrificanti convenzionali a base di olio in ambienti estremi, dice il dottor Vadym Mochalin, professore associato di chimica presso Missouri S&T, chi sta conducendo la ricerca.

"Questi materiali superlubrificanti sono di particolare interesse per applicazioni avanzate di lubrificazione e antiusura in condizioni estreme, come quelli ora sperimentati dal rover Perseverance su Marte, " Dice Mochalin. Lui e i suoi colleghi descrivono la loro scoperta in un articolo pubblicato nell'edizione di marzo 2021 della rivista I materiali oggi avanzano ("Ottenere la superlubrificazione con i carburi di metalli di transizione 2D (MXenes) e i rivestimenti MXene/grafene").

Mochalin dice di aver fatto il collegamento tra questa ricerca e il viaggio di Perseverance su Marte dopo aver visto l'atterraggio del rover.

"Quando ho visto l'atterraggio del rover su Marte, Ho pensato:"E se il lubrificante in una delle sue ruote si guasta? Poi ho fatto il collegamento con il nostro lavoro su MXenes, perché ci è venuto in mente che abbiamo appena scoperto che gli MXenes dimostrano una superlubricità in un'atmosfera priva di ossigeno e umidità, vicino a quello che c'è su Marte, "dice Mochalin.

MXenes (pronunciato Maxines) sono materiali in carburo metallico che possiedono proprietà insolite. Per esempio, la loro capacità di condurre elettricità li rende candidati per l'uso nello stoccaggio di energia, sensoristica e optoelettronica. In questo ultimo studio sui materiali, Mochalin e il suo team hanno condotto una serie di test per determinare quanto bene agiscono come lubrificanti a stato solido con determinati materiali.

I ricercatori hanno condotto test di attrito sfera su disco su scala nanometrica depositando un MXene di carburo di titanio su un substrato di silicio (il disco) che è stato rivestito con un sottile strato di silice, che è l'ingrediente principale della sabbia. Hanno quindi testato la capacità del MXene di resistere all'usura facendolo scorrere contro una sfera di acciaio rivestita di carbonio simile a un diamante. Hanno condotto questi test in un ambiente di azoto secco, che riduce notevolmente l'umidità.

Mochalin afferma che i test hanno rilevato che l'interfaccia MXene tra la sfera d'acciaio e il disco rivestito di silice ha determinato un coefficiente di attrito nel "regime superlubrificante" compreso tra 0,0067 e 0,0017. Il coefficiente di attrito si riferisce alla quantità di attrito tra due oggetti e determinato da un valore che di solito è compreso tra 0 e 1. Più basso è il valore, minore è l'attrito.

Quando il team ha aggiunto il grafene alla carabina in titanio MXene, i risultati sono stati anche migliori. L'aggiunta di grafene "ha ridotto ulteriormente l'attrito del 37,3% e l'usura di un fattore 2" senza influire sulle proprietà superlubrificanti del MXene, scrivono i ricercatori nel loro articolo.

"Questi risultati aprono nuove possibilità per esplorare la famiglia di MXenes in varie applicazioni tribologiche, " scrivono Mochalin e i suoi colleghi. La tribologia è lo studio dell'attrito, usura e lubrificazione delle superfici interagenti.

Benefici concreti

Sebbene tali superlubrificanti possano rivelarsi utili per le macchine in ambienti extraterrestri, dai rover su Marte alle attrezzature per l'estrazione di asteroidi, possono anche avere vantaggi più concreti. A differenza dei lubrificanti a base di olio, MXenes non farebbe affidamento su fonti energetiche non rinnovabili come carbone o petrolio, dice Mochalin.