Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno trovato un modo per utilizzare minuscoli diamanti e grafene per dare all'attrito lo slittamento, creando una nuova combinazione di materiali che dimostri il raro fenomeno della "superlubricità".

Guidati dal nanoscienziato Ani Sumant del Center for Nanoscale Materials (CNM) di Argonne e dall'Argonne Distinguished Fellow Ali Erdemir della divisione Energy Systems di Argonne, il team di cinque persone Argonne ha combinato nanoparticelle di diamante, piccole chiazze di grafene - una forma bidimensionale a foglio singolo di puro carbonio - e un materiale di carbonio simile al diamante per creare superlubrificazione, una proprietà altamente desiderabile in cui l'attrito scende quasi a zero.

Secondo Erdemir, mentre le macchie di grafene e le particelle di diamante sfregano contro una grande superficie di carbonio simile a un diamante, il grafene si avvolge intorno alla particella di diamante, creando qualcosa che assomigli a un cuscinetto a sfere a livello nanoscopico. "L'interazione tra il grafene e il carbonio simile al diamante è essenziale per creare l'effetto 'superlubricità', " ha detto. "I due materiali dipendono l'uno dall'altro."

A livello atomico, l'attrito si verifica quando gli atomi nei materiali che scorrono l'uno contro l'altro diventano "bloccati in uno stato, " che richiede ulteriore energia per essere superato.  "Puoi immaginarlo come se cercassi di far scorrere due cartoni delle uova l'uno contro l'altro dal basso verso il basso, " disse Diana Berman, ricercatore post-dottorato presso il CNM e autore dello studio. "Ci sono momenti in cui il posizionamento degli spazi tra le uova - o nel nostro caso, gli atomi – provoca un intreccio tra i materiali che impedisce un facile scorrimento."

Creando i cuscinetti a sfera diamantati incapsulati in grafene, o "pergamene", il team ha trovato un modo per tradurre la superlubrificazione su nanoscala in un fenomeno su macroscala. Poiché i rotoli cambiano il loro orientamento durante il processo di scorrimento, abbastanza particelle di diamante e cerotti di grafene impediscono che le due superfici si blocchino nello stato. Il team ha utilizzato calcoli atomistici su larga scala sul supercomputer Mira presso l'Argonne Leadership Computing Facility per dimostrare che l'effetto poteva essere visto non solo su scala nanometrica ma anche su scala macro.

"Un rotolo può essere manipolato e ruotato molto più facilmente di un semplice foglio di grafene o grafite, " ha detto Berman.

Però, il team era sconcertato dal fatto che mentre la superlubrificazione veniva mantenuta in condizioni asciutte, in un ambiente umido questo non era il caso. Poiché questo comportamento era controintuitivo, la squadra si rivolse di nuovo a calcoli atomistici. "Abbiamo osservato che la formazione del rotolo era inibita in presenza di uno strato d'acqua, quindi causando un maggiore attrito, ", ha spiegato il co-autore Argonne, il nanoscienziato computazionale Subramanian Sankaranarayanan.

Sebbene il campo della tribologia si sia a lungo interessato ai modi per ridurre l'attrito - e quindi le richieste energetiche dei diversi sistemi meccanici - la superlubrificazione è stata considerata una proposta difficile. "Tutti sognerebbero di essere in grado di raggiungere la superlubrificazione in una vasta gamma di sistemi meccanici, ma è un obiettivo molto difficile da raggiungere, " disse Sanket Deshmukh, un altro ricercatore postdottorato CNM sullo studio.

"Le conoscenze acquisite da questo studio, "Suman ha aggiunto, "sarà cruciale nel trovare modi per ridurre l'attrito in qualsiasi cosa, dai motori o turbine ai dischi rigidi dei computer e ai sistemi microelettromeccanici".