Alors que Mars Perseverance Rover de la NASA continue d'explorer la surface de Mars, des scientifiques sur Terre ont développé un nouveau carbure métallique à l'échelle nanométrique qui pourrait agir comme un "superlubrifiant" pour réduire l'usure des futurs rovers.

Des chercheurs du département de chimie de l'Université des sciences et technologies du Missouri et du Centre des matériaux à l'échelle nanométrique du Laboratoire national d'Argonne, travailler avec une classe de nanomatériaux bidimensionnels appelés MXenes, ont découvert que les matériaux fonctionnent bien pour réduire la friction. Les matériaux devraient également être plus performants que les lubrifiants conventionnels à base d'huile dans des environnements extrêmes, dit le Dr Vadym Mochalin, professeur agrégé de chimie au Missouri S&T, qui dirige la recherche.

"Ces matériaux superlubrifiants sont particulièrement intéressants pour les applications avancées d'anti-usure et de lubrification dans des conditions extrêmes, comme celles que connaît maintenant le rover Perseverance sur Mars, " dit Mochalin. Lui et ses collègues décrivent leur découverte dans un article publié dans l'édition de mars 2021 de la revue Les matériaux d'aujourd'hui avancent ("Atteindre la superlubrification avec les carbures de métaux de transition 2D (MXenes) et les revêtements MXene/graphène").

Mochalin dit qu'il a fait le lien entre cette recherche et le voyage de Persévérance vers Mars après avoir vu le rover atterrir.

"Quand j'ai regardé l'atterrissage du rover sur Mars, J'ai pensé :« Et si le lubrifiant dans l'une de ses roues venait à tomber en panne ? Puis j'ai fait le lien avec notre travail sur MXenes, car il nous est venu à l'esprit que nous venons de découvrir que les MXenes présentent une superlubrification dans une atmosphère dépourvue d'oxygène et d'humidité, près de ce qu'il y a sur Mars, " dit Mochalin.

Les MXenes (prononcé Maxines) sont des matériaux en carbure métallique qui possèdent des propriétés inhabituelles. Par exemple, leur capacité à conduire l'électricité en fait des candidats pour une utilisation dans le stockage d'énergie, détection et optoélectronique. Dans cette dernière étude des matériaux, Mochalin et son équipe ont mené une série de tests pour déterminer dans quelle mesure ils agissent comme lubrifiants à l'état solide avec certains matériaux.

Les chercheurs ont mené des tests de friction bille sur disque à l'échelle nanométrique en déposant un carbure de titane MXene sur un substrat de silicium (le disque) recouvert d'une fine couche de silice, qui est l'ingrédient principal du sable. Ils ont ensuite testé la capacité du MXene à résister à l'usure en le faisant glisser contre une bille d'acier recouverte de carbone en forme de diamant. Ils ont effectué ces tests dans un environnement d'azote sec, ce qui réduit considérablement l'humidité.

Mochalin dit que les tests ont révélé que l'interface MXene entre la bille d'acier et le disque recouvert de silice entraînait un coefficient de friction dans le "régime superlubrifiant" de 0,0067 à 0,0017. Le coefficient de friction fait référence à la quantité de friction entre deux objets et déterminé par une valeur généralement comprise entre 0 et 1. Plus la valeur est faible, moins de frictions.

Lorsque l'équipe a ajouté du graphène à la carabine en titane MXene, les résultats étaient encore meilleurs. L'ajout de graphène "a encore réduit le frottement de 37,3% et l'usure d'un facteur 2" sans affecter les propriétés de superlubrifiant du MXene, les chercheurs écrivent dans leur article.

« Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour explorer la famille des MXenes dans diverses applications tribologiques, " écrivent Mochalin et ses collègues. La tribologie est l'étude du frottement, l'usure et la lubrification des surfaces en interaction.

Avantages terre-à-terre

Bien que ces superlubrifiants puissent s'avérer utiles pour les machines dans des environnements extraterrestres, des rovers martiens aux équipements miniers d'astéroïdes, ils peuvent également avoir des avantages plus terre-à-terre. Contrairement aux lubrifiants à base d'huile, MXenes ne dépendrait pas de sources d'énergie non renouvelables telles que le charbon ou le pétrole, dit Mochalin.