Quando il motore di un'automobile è lubrificato in modo improprio, può essere un grande successo per il portafoglio e per l'ambiente.

Per l'auto media, Il 15% del consumo di carburante viene speso per superare l'attrito nel motore e nella trasmissione. Quando l'attrito è alto, gli ingranaggi devono lavorare di più per muoversi. Ciò significa che l'auto brucia più carburante ed emette più anidride carbonica nell'atmosfera.

"Ogni anno, milioni di tonnellate di carburante vengono sprecate a causa dell'attrito, " disse Jiaxing Huang, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern University. "È un problema serio."

Mentre l'olio aiuta a ridurre questo attrito, le persone sono da tempo alla ricerca di additivi che migliorano le prestazioni dell'olio. Huang e i suoi collaboratori hanno scoperto che le palline di grafene accartocciate sono un additivo lubrificante estremamente promettente. In una serie di prove, l'olio modificato con sfere di grafene accartocciate ha superato del 15% le prestazioni di alcuni lubrificanti commerciali, sia in termini di riduzione dell'attrito che del grado di usura delle superfici in acciaio.

Supportato dall'Ufficio di Ricerca Navale, la ricerca del team è descritta in un articolo pubblicato online il 25 gennaio su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Xuan Dou, uno studente laureato nel laboratorio di Huang, è il primo autore dell'articolo. Yip-Wah Chung della Northwestern Engineering, professore di scienze e ingegneria dei materiali, e Q. Jane Wang, professore di ingegneria meccanica, sono anche autori sulla carta.

Circa cinque anni fa, Huang ha scoperto le palline di grafene accartocciate, un nuovo tipo di particelle ultrafini che assomigliano a palline di carta accartocciate. Le particelle sono prodotte asciugando minuscole goccioline d'acqua con all'interno fogli a base di grafene. "La forza capillare generata dall'evaporazione dell'acqua accartoccia i fogli in palline di carta miniaturizzate, " disse Huang. "Proprio come accartocciamo un pezzo di carta con le nostre mani."

Poco dopo aver fatto questa scoperta, Huang lo spiegò a Chung durante un pranzo a Hong Kong accartocciando un tovagliolo e facendo il giocoliere. "Quando la palla è atterrata sul tavolo, è rotolato, " Chung ha ricordato. "Mi ha ricordato i cuscinetti a sfera che rotolano tra le superfici per ridurre l'attrito".

Quel "a-ha!" momento ha portato a una collaborazione tra i due professori e Wang, che era nel bel mezzo della redazione di una nuova Enciclopedia di Tribologia con Chung.

Nanoparticelle, in particolare le nanoparticelle di carbonio, precedentemente sono stati studiati per contribuire ad aumentare la lubrificazione dell'olio. Le particelle, però, non si disperdono bene nell'olio e tendono invece ad aggregarsi, che li rende meno efficaci per la lubrificazione. Le particelle possono incepparsi tra le superfici dell'ingranaggio causando una forte aggregazione che aumenta l'attrito e l'usura. Per superare questo problema, i ricercatori del passato hanno modificato le particelle con sostanze chimiche extra, chiamati tensioattivi, per farli disperdere. Ma questo non risolve ancora del tutto il problema.

"Sotto attrito, le molecole di tensioattivo possono asportarsi e decomporsi, "Chung ha detto. "Quando ciò accade, le particelle si aggregano di nuovo."

A causa della loro forma unica, le palline di grafene accartocciate si autodisperdono senza bisogno di tensioattivi che sono attratti dall'olio. Con le loro superfici appuntite, non sono in grado di entrare in stretto contatto con le altre sfere di grafene. Anche quando sono schiacciati insieme, si separano facilmente di nuovo quando vengono disturbati.

Huang e il suo team hanno anche scoperto che le prestazioni delle palline di grafene accartocciate non sono sensibili alle loro concentrazioni nell'olio. "Alcuni sono già sufficienti, e se aumenti la concentrazione di 10 volte, le prestazioni sono più o meno le stesse, " Huang ha detto. "Per tutti gli altri additivi al carbonio, tale prestazione è molto sensibile alla concentrazione. Devi trovare il punto debole".

"Il problema nel trovare un punto debole è che, durante l'operazione, la concentrazione locale di particelle vicino alle superfici da lubrificare potrebbe variare, " Wang ha aggiunto. "Questo porta a prestazioni instabili per la maggior parte delle altre particelle di additivi".

Prossimo, il team prevede di esplorare l'ulteriore vantaggio dell'utilizzo di palline di grafene accartocciate nell'olio:possono anche essere utilizzate come vettori. Poiché le particelle a forma di palla hanno un'area superficiale elevata e spazi aperti, sono buoni portatori di materiali con altre funzioni, come l'inibizione della corrosione.