Quando si cerca di progettare un sistema meccanico in modo che duri il più a lungo possibile, scienziati e ingegneri devono trovare il modo di superare gli attriti. Mentre i ricercatori hanno trovato molti materiali che aiutano a ridurre l'attrito, i lubrificanti convenzionali hanno spesso limitazioni chimiche. Una recente analisi presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha identificato le proprietà di un nuovo, sostanza eccezionalmente resistente all'usura che funziona in una più ampia gamma di ambienti.

Il nanoscienziato Anirudha Sumant e i suoi colleghi del Center for Nanoscale Materials di Argonne e della divisione Energy Systems di Argonne hanno applicato uno strato di grafene dello spessore di un atomo, una forma bidimensionale di carbonio, tra una sfera d'acciaio e un disco d'acciaio. Hanno scoperto che solo il singolo strato di grafene è durato più di 6, 500 "cicli di usura, " un notevole miglioramento rispetto ai lubrificanti convenzionali come la grafite o il bisolfuro di molibdeno.

"Per confronto, "Suman ha detto, "i lubrificanti convenzionali avrebbero bisogno di circa 1, 000 strati per durare 1, 000 cicli di usura. Questo è un enorme vantaggio in termini di risparmio sui costi con prestazioni molto migliori."

La grafite viene utilizzata come lubrificante industriale da oltre 40 anni, ma non senza alcuni inconvenienti, Suman ha spiegato. "La grafite è limitata dal fatto che funziona davvero solo in ambienti umidi. Se hai un ambiente asciutto, non sarà altrettanto efficace, " Egli ha detto.

Questa limitazione nasce dal fatto che la grafite – a differenza del grafene – ha una struttura tridimensionale. Le molecole d'acqua nell'aria umida creano scivolosità intrecciandosi tra i fogli di carbonio di grafite. Quando non ci sono abbastanza molecole d'acqua nell'aria, il materiale perde la sua scorrevolezza.

bisolfuro di molibdeno, un altro lubrificante comune, ha il problema inverso, ha detto Suman. Funziona in ambienti asciutti ma non bene in quelli umidi. "Essenzialmente la sfida è trovare un unico lubrificante per tutti gli usi che funzioni bene per i sistemi meccanici, non importa dove sono, " Egli ha detto.

La struttura bidimensionale del grafene gli conferisce un vantaggio significativo. "Il materiale è in grado di legarsi direttamente alla superficie della sfera in acciaio inossidabile, rendendolo così perfetto che nemmeno gli atomi di idrogeno riescono a penetrarlo, " ha detto lo scienziato dei materiali di Argonne Ali Erdemir, un collaboratore dello studio che ha testato le superfici in acciaio rivestite di grafene nel suo laboratorio.

In un precedente studio su Materials Today, Sumant e i suoi colleghi hanno dimostrato che alcuni strati di grafene funzionano altrettanto bene in ambienti umidi e secchi come lubrificante solido, risolvendo il rompicapo di 40 anni di trovare un lubrificante solido impeccabile. Però, il team voleva andare oltre e testare solo un singolo strato di grafene.

Mentre lo fa in un ambiente contenente molecole di idrogeno puro, hanno osservato un notevole miglioramento della durata operativa del grafene. Quando il monostrato di grafene inizia a consumarsi, gli atomi di idrogeno intervengono per riparare il reticolo, come ricucire una trapunta. "L'idrogeno può entrare solo nel tessuto dove c'è già un'apertura, " disse il subramaniano Sankaranarayanan, uno scienziato computazionale Argonne e coautore di questo studio. Ciò significa che lo strato di grafene rimane intatto più a lungo.

I ricercatori avevano precedentemente condotto esperimenti per comprendere la resistenza meccanica di un singolo foglio di grafene, ma lo studio Argonne è il primo a spiegare la straordinaria resistenza all'usura del grafene dello spessore di un atomo.

Un articolo basato sulla ricerca, "Resistenza all'usura straordinaria su macroscala di uno strato di grafene spesso un atomo, " apparso nell'edizione del 26 agosto di Materiali funzionali avanzati . I ricercatori post-dottorato di Argonne Diana Berman e Sanket Deshmukh sono altri autori di questo studio.