Een nieuw tweedimensionaal nanomateriaal, MXene, kan ook fungeren als een smeermiddel bij extreme temperaturen of het vacuüm van de ruimte

U kunt fietsketens met olie smeren, maar hoe zit het met hete transportbanden in de staalindustrie of op Mars Rovers? De Wenen University of Technology heeft nu zeer speciale nanomaterialen bestudeerd samen met onderzoeksgroepen van Saarbrucken (Duitsland), Purdue University in de Verenigde Staten en de Universiteit van Chili (Santiago, Chile).

In de afgelopen jaren heeft de materiaalcategorie van MXenes (uitgesproken als "maxene") een opschudding veroorzaakt in verband met nieuwe batterijtechnologieën. Maar nu blijken ze ook een uitstekend solide smeermiddel te zijn, extreem duurzaam en in staat om hun taken uit te voeren, zelfs in de moeilijkste omstandigheden. Deze superieure eigenschappen van MXenen zijn nu gepubliceerd in het prestigieuze ACS Nano Journal.

UST Net als het grafeen van het koolstofmateriaal, valt Mxene in de categorie zogenaamde 2D-materialen: het zijn ultradunne lagen van enkele atomen en hebben geen sterke bindingen aan de bovenste of onderste lagen.



Professor Carsten Gachot, hoofd van de Tribology Group bij TU's Institute of Engineering Design and Product Development, zegt dat u voor het eerst begint met de zogenaamde Max-podium, een systeem van speciale lagen bestaande uit titanium, aluminium en koolstof. De belangrijkste truc is om aluminium te etsen met hydrofluorinezuur.



Wat nog over is, is een stel atomen en dunne lagen titanium en koolstof die losjes aan elkaar worden gestapeld als stukjes papier. Elke laag is op zichzelf relatief stabiel, maar de lagen kunnen gemakkelijk ten opzichte van elkaar bewegen.

Deze draagbaarheid tussen atomaire lagen maakt het materiaal een uitstekend droog smeermiddel: glijden met een zeer lage weerstand kan worden bereikt zonder slijtage te veroorzaken. Als gevolg hiervan kan de wrijving tussen de stalen oppervlakken worden gereduceerd tot een zesde, en de slijtvastheid is extreem hoog: de MXene-smeerlaag werkt nog steeds goed, zelfs na 100.000 bewegingscycli.



Dit is ideaal voor gebruik in moeilijke omstandigheden: in de ruimtevlucht verdampt het smeerolie bijvoorbeeld onmiddellijk in een vacuüm, maar mxene in fijne poedervorm kan daar ook worden gebruikt.



Het heeft niets te maken met atmosfeer of temperatuur



Carsten Gachot zegt dat vergelijkbare benaderingen zijn geprobeerd voor andere dunne filmmaterialen, zoals grafeen of molybdeendisulfide. Maar ze reageren gevoelig op vocht in de atmosfeer. Watermoleculen kunnen de bindkracht tussen de lagen veranderen. Voor Mxene daarentegen heeft het minder effect.



Een ander beslissend voordeel is de hittebestendigheid van mxenen, omdat veel smeermiddelen oxideren en hun smeerheid verliezen bij hoge temperaturen. Mxenen daarentegen is stabieler en kan zelfs worden gebruikt in de staalindustrie, waar onderdelen die mechanisch bewegen soms soms temperaturen van enkele honderden graden Celsius bereiken.



Dr. Philip Grutzmacher van de onderzoeksgroep van professor Gachot, samen met de Universiteit van Saarbruken in Saarbruken en Purdue University in de VS, bestudeerde het poedermeer in verschillende experimenten bij Tu Wien. Aan de andere kant van de wereld speelde professor Andreas Rosenkranz in Chili een belangrijke rol bij het initiëren en ontwerpen van dit werk.



Carsten Gachot zegt dat er ook veel belangstelling is geweest voor de materialen uit de industrie. We denken dat deze mxene zeer snel in massa kan worden geproduceerd.