Al intentar diseñar un sistema mecánico para que dure el mayor tiempo posible, los científicos y los ingenieros deben encontrar formas de superar la fricción. Si bien los investigadores han encontrado muchos materiales que ayudan a reducir la fricción, Los lubricantes convencionales a menudo tienen limitaciones químicas. Un análisis reciente en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. Ha identificado las propiedades de un laboratorio más nuevo, Sustancia excepcionalmente resistente al desgaste que funciona en una gama más amplia de entornos.

El nanocientífico Anirudha Sumant y sus colegas del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne y la división de Sistemas de Energía de Argonne aplicaron una capa de grafeno de un átomo de espesor, una forma bidimensional de carbono, entre una bola de acero y un disco de acero. Descubrieron que solo la capa única de grafeno duró más de 6, Ciclos de desgaste de 500 ", "una mejora espectacular con respecto a los lubricantes convencionales como el grafito o el disulfuro de molibdeno.

"Para comparacion, "Sumant dijo, "Los lubricantes convencionales necesitarían alrededor de 1, 000 capas para durar 1, 000 ciclos de desgaste. Esa es una gran ventaja en términos de ahorro de costos con un rendimiento mucho mejor ".

El grafito se ha utilizado como lubricante industrial durante más de 40 años, pero no sin ciertos inconvenientes, Sumant explicó. "El grafito está limitado por el hecho de que realmente solo funciona en ambientes húmedos. Si tiene un ajuste seco, no va a ser tan eficaz " él dijo.

Esta limitación surge del hecho de que el grafito, a diferencia del grafeno, tiene una estructura tridimensional. Las moléculas de agua en el aire húmedo crean resbalones al entrelazarse entre las láminas de carbón de grafito. Cuando no hay suficientes moléculas de agua en el aire, el material pierde su resbaladizo.

Disulfuro de molibdeno, otro lubricante común, tiene el problema inverso, Dijo Sumant. Funciona en ambientes secos pero no bien en ambientes húmedos. "Básicamente, el desafío es encontrar un único lubricante para todo uso que funcione bien para sistemas mecánicos, no importa donde se encuentren, " él dijo.

La estructura bidimensional del grafeno le da una ventaja significativa. "El material puede adherirse directamente a la superficie de la bola de acero inoxidable, haciéndolo tan perfectamente incluso que incluso los átomos de hidrógeno no pueden penetrarlo, "dijo el científico de materiales de Argonne Ali Erdemir, un colaborador del estudio que probó superficies de acero recubiertas de grafeno en su laboratorio.

En un estudio anterior en Materials Today, Sumant y sus colegas demostraron que unas pocas capas de grafeno funcionan igual de bien en ambientes húmedos y secos como lubricante sólido. resolviendo el rompecabezas de 40 años de encontrar un lubricante sólido impecable. Sin embargo, el equipo quería ir más allá y probar una sola capa de grafeno.

Mientras lo hace en un entorno que contiene moléculas de hidrógeno puro, observaron una mejora espectacular en la vida operativa del grafeno. Cuando la monocapa de grafeno finalmente comienza a desgastarse, los átomos de hidrógeno saltan para reparar la red, como volver a coser una colcha. "El hidrógeno solo puede entrar en la tela donde ya hay una abertura, "dijo Subramanian Sankaranarayanan, un científico computacional de Argonne y coautor de este estudio. Esto significa que la capa de grafeno permanece intacta por más tiempo.

Los investigadores habían realizado previamente experimentos para comprender la resistencia mecánica de una sola hoja de grafeno, pero el estudio de Argonne es el primero en explicar la extraordinaria resistencia al desgaste del grafeno de un átomo de espesor.

Un artículo basado en la investigación, "Extraordinaria resistencia al desgaste a macroescala de una capa gruesa de grafeno de un átomo, "apareció en la edición del 26 de agosto de Materiales funcionales avanzados . Los investigadores postdoctorales de Argonne Diana Berman y Sanket Deshmukh son otros autores de este estudio.