Niemal wyeliminowali tarcie
Dzięki symulacjom przeprowadzonym na superkomputerze Mira naukowcy zidentyfikowali i udoskonalili nowy mechanizm pozwalający na wyeliminowanie tarcia. Dzięki temu zaprojektowali nowy hybrydowy materiał, który – jako pierwszy w skali makro – niemal całkowicie eliminuje zjawisko tarcia.
Symulacje przeprowadzone przez Sanketa Deshmukha z Argonne National Laboratory wykazały, że gdy warstwy złożone z grafenu i węgla diamentopodobnego (DLC) ślizgają się po sobie, grafen zaczyna zwijać się tworząc puste cylindryczne zwoje, dzięki którym tarcie zostaje niemal całkowicie wyeliminowane. To nowy, nieznany dotychczas mechanizm.
Zmniejszenie tarcia to niezwykle pożądane zjawisko. Dość wspomnieć, że około 30% paliwa, które zużywają nasze samochody jest spalane po to, by pokonać tarcie. To niepożądane w wielu miejscach zjawisko prowadzi do strat energii, niepotrzebnego grzania się i zużywania części mechanicznych.
Wcześniej jednak Ali Erdemir, Anirudha Sumant i Diana Berman prowadzili eksperymenty w Laboratorium Trybologii i Centrum Materiałów Nanoskalowych Argonne National Laboratory.
W ich ramach niewielkie płachty grafenu ześlizgiwały się ze stalowej kuli pokrytej DLC. Uczeni stwierdzili, że na styku tych dwóch materiałów współczynnik tarcia jest niezwykle mały, jednak zdumiało ich, iż mocno się on waha bez widocznej przyczyny. Kolejnym zaskoczeniem był fakt, że w środowisku mokrym współczynnik tarcia wzrastał 100-krotnie w porównaniu ze środowiskiem suchym. Uczeni Subramaniana Sankaranarayanana i Sanketa Deshmukha o przeprowadzenie symulacji komputerowych. Ci użyli 10-petaflopsowej maszyny Mira, dzięki której odkryli zwijający się grafen. To wyjaśniało obie zagadki, które zastanawiały ich kolegów.
Okazało się bowiem, że współczynnik tarcia waha się, gdyż zwoje grafenu są niestabilne i ulegają spłaszczeniu pod wpływem ciężaru. Tarcie jest mniejsze, gdy się uformują, a wraca do normy, gdy zostają spłaszczone, później zwoje znowu się formują. Stąd zmiany współczynnika tarcia. Naukowcy pracujący przy symulacji komputerowej postanowili więc „dodać” do całości nanodiamenty. Okazało się, że był to dobry pomysł. Grafen spontanicznie zwijał się wokół nanodiametów, które zapobiegały jego spłaszczeniu. Eksperymenty potwierdziły, że wyniki symulacji można przełożyć na rzeczywistość.
Niestety, dodanie nanodiamentów nie rozwiązało kolejnego problemu – zwiększonego tarcia w wilgotnym środowisku. Symulacje wykazały, że obecność wody uniemożliwia formowanie się zwojów, gdyż siła adhezji utrzymuje fragmenty grafenu uczepione powierzchni. Obecnie hybrydowy materiał wykazuje swoje pożądane właściwości jedynie w środowisku suchym. Nadal jednak będzie można stosować go w wielu miejscach, od dysków twardych, poprzez turbiny wiatrowe po ruchome części systemów mikro- i nanoelektromechanicznych.
Komentarze (0)