Ao tentar projetar um sistema mecânico para durar o maior tempo possível, cientistas e engenheiros precisam encontrar maneiras de superar o atrito. Embora os pesquisadores tenham encontrado muitos materiais que ajudam a reduzir o atrito, lubrificantes convencionais muitas vezes têm limitações químicas. Uma análise recente do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA identificou as propriedades de um mais novo, substância excepcionalmente resistente ao desgaste que funciona em uma ampla gama de ambientes.

O nanocientista Anirudha Sumant e seus colegas do Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne e da divisão de Sistemas de Energia da Argonne aplicaram uma camada de grafeno com um átomo de espessura, uma forma bidimensional de carbono, entre uma bola de aço e um disco de aço. Eles descobriram que apenas uma única camada de grafeno durou mais de 6, 500 "ciclos de desgaste, "uma melhoria dramática em relação aos lubrificantes convencionais, como grafite ou dissulfeto de molibdênio.

"Para comparação, "Sumant disse, "lubrificantes convencionais precisariam de cerca de 1, 000 camadas para durar 1, 000 ciclos de desgaste. Essa é uma grande vantagem em termos de economia de custos com desempenho muito melhor. "

O grafite tem sido usado como um lubrificante industrial por mais de 40 anos, mas não sem certas desvantagens, Sumant explicou. "O grafite é limitado pelo fato de realmente funcionar apenas em ambientes úmidos. Se você tiver um ambiente seco, não vai ser tão eficaz, " ele disse.

Essa limitação surge do fato de que o grafite - ao contrário do grafeno - tem uma estrutura tridimensional. As moléculas de água no ar úmido criam escorregadios entrelaçando-se entre as folhas de carbono da grafite. Quando não há moléculas de água suficientes no ar, o material perde sua maciez.

Bissulfeto de molibdênio, outro lubrificante comum, tem o problema inverso, Sumant disse. Funciona em ambientes secos, mas não bem em ambientes úmidos. "Essencialmente, o desafio é encontrar um único lubrificante para todos os fins que funcione bem para sistemas mecânicos, não importa onde eles estejam, " ele disse.

A estrutura bidimensional do grafeno oferece uma vantagem significativa. "O material é capaz de se ligar diretamente à superfície da esfera de aço inoxidável, tornando-o tão perfeito que mesmo os átomos de hidrogênio não são capazes de penetrá-lo, "disse o cientista de materiais de Argonne Ali Erdemir, um colaborador no estudo que testou superfícies de aço revestidas de grafeno em seu laboratório.

Em um estudo anterior da Materials Today, Sumant e seus colegas mostraram que algumas camadas de grafeno funcionam igualmente bem em ambientes úmidos e secos como um lubrificante sólido, resolvendo o quebra-cabeça de 40 anos de encontrar um lubrificante sólido perfeito. Contudo, a equipe queria ir mais longe e testar apenas uma única camada de grafeno.

Ao fazer isso em um ambiente contendo moléculas de hidrogênio puro, eles observaram uma melhoria dramática na vida operacional do grafeno. Quando a monocamada de grafeno eventualmente começa a se desgastar, átomos de hidrogênio saltam para reparar a rede, como costurar uma colcha de volta. “O hidrogênio só pode entrar no tecido onde já existe uma abertura, "disse o Subramanian Sankaranarayanan, um cientista computacional Argonne e co-autor neste estudo. Isso significa que a camada de grafeno permanece intacta por mais tempo.

Os pesquisadores já haviam feito experiências para entender a resistência mecânica de uma única folha de grafeno, mas o estudo de Argonne é o primeiro a explicar a extraordinária resistência ao desgaste do grafeno de um átomo de espessura.

Um artigo baseado na pesquisa, "Extraordinária resistência ao desgaste em macroescala de camada espessa de grafeno de um átomo, "apareceu na edição de 26 de agosto da Materiais Funcionais Avançados . Os pesquisadores de pós-doutorado em Argonne Diana Berman e Sanket Deshmukh são outros autores deste estudo.