Lorsque le moteur d'une automobile est mal lubrifié, cela peut être un coup dur pour le portefeuille et l'environnement.

Pour la voiture moyenne, 15 pour cent de la consommation de carburant est dépensé pour surmonter les frictions dans le moteur et la transmission. Lorsque le frottement est élevé, les engrenages doivent travailler plus fort pour se déplacer. Cela signifie que la voiture consomme plus de carburant et émet plus de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

"Chaque année, des millions de tonnes de carburant sont gaspillées à cause des frictions, " a déclaré Jiaxing Huang, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de la Northwestern University. "C'est un problème sérieux."

Alors que l'huile aide à réduire cette friction, les gens recherchent depuis longtemps des additifs qui améliorent les performances de l'huile. Huang et ses collaborateurs ont découvert que les billes de graphène froissées sont un additif lubrifiant extrêmement prometteur. Dans une série d'essais, l'huile modifiée avec des billes de graphène froissées a surpassé de 15 pour cent certains lubrifiants commerciaux, à la fois en termes de réduction de la friction et du degré d'usure sur les surfaces en acier.

Soutenu par le Bureau de la recherche navale, les recherches de l'équipe sont décrites dans un article publié en ligne le 25 janvier dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . Xuan Dou, un étudiant diplômé du laboratoire de Huang, est le premier auteur de l'article. Yip-Wah Chung de Northwestern Engineering, professeur de science et génie des matériaux, et Q. Jane Wang, professeur de génie mécanique, sont également des auteurs sur le papier.

Il y a environ cinq ans, Huang a découvert des boules de graphène froissées, un nouveau type de particules ultrafines qui ressemblent à des boules de papier froissé. Les particules sont fabriquées en séchant de minuscules gouttelettes d'eau avec des feuilles à base de graphène à l'intérieur. "La force capillaire générée par l'évaporation de l'eau froisse les feuilles en boules de papier miniaturisées, " a dit Huang. " Tout comme on froisse un morceau de papier avec nos mains. "

Peu de temps après avoir fait cette découverte, Huang l'a expliqué à Chung lors d'un déjeuner à Hong Kong en froissant une serviette et en la jonglant. "Quand la balle a atterri sur la table, ça roulait, " se souvient Chung. " Cela m'a rappelé les roulements à billes qui roulent entre les surfaces pour réduire la friction. "

Ce "a-ha!" moment a conduit à une collaboration entre les deux professeurs et Wang, qui était en train d'éditer une nouvelle encyclopédie de tribologie avec Chung.

Nanoparticules, notamment les nanoparticules de carbone, ont déjà été étudiés pour aider à augmenter la lubrification de l'huile. Les particules, cependant, ne se dispersent pas bien dans l'huile et ont plutôt tendance à s'agglutiner, ce qui les rend moins efficaces pour la lubrification. Les particules peuvent se coincer entre les surfaces de l'engrenage, provoquant une agrégation importante qui augmente le frottement et l'usure. Pour surmonter ce problème, les anciens chercheurs ont modifié les particules avec des produits chimiques supplémentaires, appelés tensioactifs, pour les faire se disperser. Mais cela ne résout toujours pas entièrement le problème.

"Sous la friction, les molécules de tensioactif peuvent s'effacer et se décomposer, " dit Chung. " Quand cela arrivera, les particules s'agglutinent à nouveau."

En raison de leur forme unique, Les billes de graphène froissées s'auto-dispersent sans avoir besoin de tensioactifs attirés par l'huile. Avec leurs surfaces pointues, ils sont incapables d'entrer en contact étroit avec les autres billes de graphène. Même quand ils sont serrés les uns contre les autres, ils se séparent facilement à nouveau lorsqu'ils sont dérangés.

Huang et son équipe ont également découvert que les performances des billes de graphène froissées ne sont pas sensibles à leurs concentrations dans l'huile. « Quelques-uns suffisent déjà, et si vous augmentez la concentration de 10 fois, les performances sont à peu près les mêmes, " Huang a déclaré. "Pour tous les autres additifs de carbone, une telle performance est très sensible à la concentration. Il faut trouver le bon endroit."

"Le problème avec la recherche d'un sweet spot, c'est que, pendant le fonctionnement, la concentration locale de particules près des surfaces sous lubrification pourrait fluctuer, " a ajouté Wang. " Cela conduit à des performances instables pour la plupart des autres particules additives. "

Prochain, l'équipe envisage d'explorer l'avantage supplémentaire d'utiliser des billes de graphène froissées dans l'huile :elles peuvent également être utilisées comme supports. Parce que les particules en forme de boule ont une surface élevée et des espaces ouverts, ils sont de bons supports pour les matériaux avec d'autres fonctions, comme l'inhibition de la corrosion.