Dites adieu au slogan « les diamants sont éternels ». Pour les industries qui utilisent du lubrifiant sec, la phrase montante est plus susceptible d'être "les nanodiamants cassés sont éternels".

Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) combinent des nanodiamants avec des couches de bisulfure de molybdène bidimensionnelles et les brisent pour créer un lubrifiant sec à très faible friction qui dure si longtemps qu'il pourrait presque être confondu avec une éternité. La substance pourrait avoir des centaines d'applications industrielles et peut être utilisée pratiquement partout où deux morceaux de métal se frottent dans des conditions sèches.

Les lubrifiants solides les plus couramment utilisés sur le marché se présentent aujourd'hui sous forme de pâte de graphite. Nous utilisons ces lubrifiants pour graisser les poignées de porte et les chaînes de vélo, entre autres.

En 2015, Anirudha Sumant de la division Nanosciences et technologie et ses collègues ont réalisé une percée dans la technologie de lubrification solide en démontrant pour la première fois la superlubrification (frottement proche de zéro) à l'échelle de l'ingénierie en utilisant du graphène combiné à des nanodiamants. Cette approche était révolutionnaire, et depuis lors, son groupe a continué à développer davantage la technologie.

Plus récemment, Sumant a remplacé le graphène dans le processus par du bisulfure de molybdène, pour voir comment d'autres matériaux 2D se comporteraient. Il s'attendait à ce que le processus ressemble à celui observé avec le lubrifiant graphène-nanodiamant. Cependant, l'équipe a été surprise lorsque Diana Berman, l'auteur principal et post-doctorant Argonne, ne pouvait pas voir de nanodiamants dans le matériau. Au lieu, elle a trouvé des boules de carbone ressemblant à des oignons.

Que se passait-il? Le bisulfure de molybdène se décomposait en molybdène et en soufre et réagissait avec les nanodiamants pour les convertir en carbone semblable à un oignon.

"Nous savions que le coupable devait être le soufre endommageant les nanodiamants, mais pour nous, ça aide vraiment, " dit Sumant.

L'équipe d'Argonne, qui comprenait Sumant, Diane Berman, Subramanian Sankaranarayanan, Badri Narayanan, Matthieu Cherukara, Ali Erdemir et Alexandre Zinovev, réalisé que la diffusion du soufre augmentait la contrainte dans les nanodiamants, par la suite les casser et les convertir en carbone semblable à l'oignon.

C'était une bénédiction déguisée, dit Sankaranarayanan, puisque leurs efforts ont également permis de découvrir un autre secret sur la façon dont d'autres matériaux 2D interagiront avec les nanodiamants avec le même résultat.

Le frottement dans cette nouvelle combinaison est 10 fois inférieur à celui de certains revêtements antiadhésifs dont les polymères fluorés, ce qui signifie moins de chaleur et moins d'usure sur les pièces et l'équipement.

John Harvey, chargé de développement commercial chez Argonne, a déclaré qu'il avait déjà manifesté un grand intérêt de l'industrie pour la technologie, même si l'article de Sumant n'a été publié que récemment dans Communication Nature . L'étude s'intitule « La formation tribochimique d'Operando de carbone semblable à l'oignon conduit à une superlubrification à l'échelle macroscopique ».

"Le matériau sur lequel le lubrifiant est utilisé va durer plus longtemps, et je n'ai pas à me soucier des résidus de liquide et de jeter des chiffons huileux dans le cadre du processus de nettoyage, " a déclaré Harvey. " Nous pouvons également l'utiliser pour fabriquer des pièces que nous ne pouvons pas faire aujourd'hui, surtout avec l'emboutissage du métal."

Carbone semblable à l'oignon, une fois formé, se compose de plusieurs couches d'enveloppes graphitiques sphériques qui peuvent être utilisées comme lubrifiant sec. Et le processus de saupoudrage de bisulfure de molybdène et de nanodiamants crée automatiquement cette forme de carbone, sans aucune application chimique supplémentaire.

"Il est intéressant de voir que ces billes de carbone peuvent supporter une pression de contact élevée et, en raison de leur nanostructure unique, peut glisser facilement, créant la superlubrification, " a déclaré Ali Erdemir, Argonne Distinguished Fellow et collaborateur à cette étude.

« Nous avons maintenant compris comment générer des lubrifiants pendant le glissement qui peuvent durer beaucoup plus longtemps que tout autre lubrifiant solide, " dit Sumant.

Alors que le bisulfure de molybdène est un peu plus cher que le graphène, moins est nécessaire dans ce processus.

"La quantité est si petite - quelques gouttes pour des kilomètres de glisse - que le coût n'est pas un problème, " A déclaré Sumant. La méthode de lubrification à sec est également beaucoup plus propre à utiliser car il n'y a pas de produits chimiques dangereux jetés dans ce processus, il ajouta.

Les lubrifiants secs sont déjà courants dans plusieurs industries. Cependant, ils sont principalement utilisés pour les revêtements en couches minces et sont sujets à des modes de défaillance catastrophiques. Le superlubrifiant développé par Argonne fonctionne très différemment des revêtements traditionnels à couche mince. Le lubrifiant autogénérant se réajuste en continu, donc ça dure plus longtemps.

« Cela représente vraiment la prochaine génération de lubrifiant solide, " dit Sumant.

Les applications potentielles incluent les roulements et les joints de pompes mécaniques dans les applications sèches ainsi que dans les éoliennes. La technologie pourrait également être utilisée dans l'industrie informatique; Plus précisément, dans les lecteurs de disques magnétiques.

Argonne détient déjà trois brevets sur la technologie de superlubrification, avec un brevet en instance sur cette percée, qui sera bientôt disponible sous licence.

Sumant et Erdemir ont co-écrit une critique récente dans ACS Nano sur les technologies de superlubrification les plus récentes et les découvertes dans le domaine. Cet article de référence est peut-être le premier à résumer l'état actuel de la recherche mondiale sur la superlubrification à l'aide de matériaux bidimensionnels tels que le graphène, nitrure de bore hexagonal et bisulfure de molybdène.