El recubrimiento ultralubricante de los nanotubos de carbono puede reducir las pérdidas económicas causadas por la fricción y el desgaste

07 junio 2023

(Noticias de Nanwerk) Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han inventado un recubrimiento que puede reducir significativamente la fricción en los sistemas de soporte de carga comunes con partes móviles, desde trenes de conducción de vehículos hasta turbinas eólicas e hidroeléctricas. Reduce la fricción de acero contra acero al menos cien veces. El nuevo recubrimiento ORNL podría ayudar a impulsar la economía de EE. UU., que cada año pierde más de $ 1 billón debido a la fricción y la corrosión, el equivalente al 5% del PNB.

«Cuando los componentes se separan, se produce fricción y desgaste», dijo John Koo, presidente del grupo de ingeniería de superficies y tribología en ORNL. La tribología, de la palabra griega frotar, es la ciencia y la tecnología de superficies que interactúan en movimiento relativo, como engranajes y cojinetes. «Si reducimos la fricción, podemos reducir el consumo de energía. Si reducimos el desgaste, podemos extender la vida útil del sistema para mejorar la durabilidad y la confiabilidad».

Con colegas de ORNL Chanaka Kumara y Michael Lance, Qu dirigió un estudio publicado en Nanomateriales hoy («Lubricación súper grande mediante el recubrimiento de nanotubos de carbono de sacrificio») alrededor de una capa que consta de nanotubos de carbono que imparten una lubricación superior a las piezas deslizantes. Súper lubricante es la propiedad de mostrar casi ninguna resistencia al deslizamiento; El sello tiene un coeficiente de fricción inferior a 0,01. En comparación, cuando los minerales secos se deslizan unos sobre otros, el coeficiente de fricción es de aproximadamente 0,5. Con aceite lubricante, el coeficiente de fricción cae a alrededor de 0,1. Sin embargo, el revestimiento ORNL redujo el coeficiente de fricción muy por debajo del límite máximo de superlubricación, a menos de 0,001.

Los nanotubos de carbono alineados verticalmente de ORNL reducen la fricción a casi cero para mejorar la eficiencia energética. (Foto: Chanaka Kumara, ORNL)

“Nuestro mayor logro es hacer posible una lubricación superior para las aplicaciones más comunes”, dijo Chu. «Antes, solo los veías en nanoescala o en entornos especializados».

Para el estudio, Kumara cultivó nanotubos de carbono en placas de acero. Usando una máquina llamada tripómetro, él y Kuo frotaron placas entre sí para generar virutas de nanotubos de carbono.

Los nanotubos de carbono de paredes múltiples recubren el acero, repelen la humedad corrosiva y actúan como depósito de lubricante. Cuando se depositan por primera vez, los nanotubos de carbono alineados verticalmente se paran en la superficie como briznas de hierba. Cuando las piezas de acero se deslizan unas sobre otras, esencialmente están «cortando el césped». Cada hoja es hueca pero está hecha de múltiples capas de grafeno enrollado, una lámina de carbono atómicamente delgada dispuesta en hexágonos adyacentes como alambre de gallinero. Los restos de nanotubos de carbono que se desprenden del afeitado se vuelven a depositar en la superficie de contacto, formando un trisilicato rico en grafeno que reduce la fricción a casi cero.

La fabricación de nanotubos de carbono es un proceso de varios pasos. Primero, necesitamos activar la superficie de acero para producir microestructuras, en la escala nanométrica. En segundo lugar, debemos proporcionar una fuente de carbono para el cultivo de nanotubos de carbono «, dijo Kumara. Calentó un disco de acero inoxidable para formar partículas de óxido de metal en la superficie. Luego usó la deposición química de vapor para introducir el carbono en forma de etanol para que las partículas de óxido metálico podrían adherir el carbono allí, átomo por átomo en forma de nanotubos.

Los nuevos nanotubos no proporcionan una lubricación superior hasta que se dañan. «Los nanotubos de carbono se destruyen al frotarlos, pero se convierten en algo nuevo», dijo Zhou. «La parte clave es que los nanotubos de carbono rotos son pedazos de grafeno. Estos pedazos de grafeno se untan y se unen al área de contacto, convirtiéndose en lo que llamamos una tripopelícula, una capa formada durante el proceso. Las superficies de contacto luego se cubren con algo de recubrimiento rico en grafeno. Ahora, ahí es cuando se frotan entre sí». grafeno sobre grafeno». Un disco de acero inoxidable se ha calentado para formar partículas de hierro y óxido de níquel en su superficie. (Foto: Carlos Jones, ORNL)

Una sola gota de aceite es fundamental para lograr una lubricación superior. Lo probamos sin el aceite. dijo Zhou. La razón es que sin aceite, la fricción elimina los nanotubos de carbono con gran fuerza. Entonces el tripofilm no puede formarse bien o vivir por mucho tiempo. Es como un motor sin aceite. Se humea en pocos minutos, mientras que el que tiene aceite puede humear fácilmente durante años.

El deslizamiento superior del recubrimiento ORNL tiene poder de permanencia. La lubricación superior duró en pruebas de más de 500.000 ciclos de fricción. Kumara probó el rendimiento de deslizamiento continuo durante tres horas, luego un día y luego 12 días. «Todavía estamos recibiendo súper lubricante», dijo. «Es estable».

Usando microscopía electrónica, Kumara examinó los fragmentos de cizallamiento para demostrar que la corrosión triboeléctrica cortaba los nanotubos de carbono. Para confirmar de forma independiente que la fricción acortó los nanotubos, el coautor de ORNL, Lance, utilizó la espectroscopia Raman, una técnica que mide la energía vibratoria, que está relacionada con el enlace atómico y la estructura cristalina de un material.

«La tribiología es un campo muy antiguo, pero la ciencia y la ingeniería modernas han proporcionado un nuevo enfoque científico para el desarrollo tecnológico en este campo», dijo Zhou. «La comprensión básica era incompleta hasta quizás los últimos 20 años, cuando la tribología cobró una nueva vida. Recientemente, científicos e ingenieros se han unido para utilizar las técnicas de caracterización de materiales más avanzadas, y esta es una de las fortalezas de ORNL. La tribología es muy interdisciplinaria. Nadie es un experto en todo». Entonces, en tribología, la clave del éxito es la colaboración».

Agregó: «En algún lugar, puede encontrar un científico con experiencia en nanotubos de carbono, un científico con experiencia en tribología y un científico con experiencia en caracterización de materiales. Pero están aislados. Aquí en ORNL, estamos juntos».

Los equipos de tribología de ORNL han realizado un trabajo premiado atrayendo asociaciones y licencias de la industria. En 2014, un aditivo antidesgaste iónico para lubricantes de motores de bajo consumo de combustible, desarrollado por ORNL, General Motors, Shell Global Solutions y Lubrizol, ganó el premio R&D 100. Los colaboradores de ORNL fueron Qu, Huimin Luo, Sheng Dai y Peter Blau. , Todd Toops, Brian West y Bruce Bunting.

De manera similar, el trabajo descrito en el documento actual fue finalista del R&D 100 en 2020. Los investigadores solicitaron una patente para un nuevo recubrimiento superlubricante.

«Luego, esperamos asociarnos con la industria para escribir una propuesta conjunta al DOE para probar, madurar y otorgar licencias de la tecnología», dijo Zhou. “Dentro de una década, nos gustaría ver mejores autos y centrales eléctricas de alto rendimiento con menos pérdidas de energía debido a la fricción y el desgaste”.