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超润滑!科学家开发出全新纳米金属碳化物 未来火星漫游车不用担心磨损了

Emma Chou

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图片来源:Pixabay/CC0 Public Domain

随着美国国家航空航天局(NASA)的“毅力号”火星漫游车继续探索火星表面,地球上的科学家已经开发出一种新的纳米级金属碳化物,它可以作为一种“超级润滑剂”,降低未来漫游车的磨损。

密苏里科技大学化学系和阿贡国家实验室纳米材料中心的研究人员研究了一类被称为MXenes的二维纳米材料,发现这种材料在减少摩擦方面效果很好。这项研究的负责人、密苏里科技大学化学副教授瓦迪姆·莫查林(Vadym Mochalin)博士说,这种材料在极端环境下的性能应该比传统油基润滑油更好。

Mochalin说:“这些超润滑材料对于在极端条件下的高级抗磨和润滑应用有着特殊的意义,就像现在火星上‘毅力号’探测器所经历的那样。”这一研究发表在《今日材料进展》(Materials Today Advances)期刊2021年3月版上,题为“用二维过渡金属碳化物(MXenes)和MXene/石墨烯涂层实现超润滑”。

Mochalin说,在观察了探测器着陆后,把这项研究和“毅力号”的火星之旅联系了起来。“当我看着探测器在火星上着陆时,我想:‘如果其中一个轮子上的润滑剂失效了怎么办? ’然后我将其与我们对MXenes的研究联系起来,因为我想到,我们刚刚发现MXenes在缺乏氧气和湿度的大气中表现出超润滑性,接近火星上的物质。” 

MXenes是一种具有特殊性能的金属碳化物材料。例如,它们的导电能力使它们有可能用于能量存储、传感和光电子学。在这项最新的材料研究中,Mochalin和团队进行了一系列的测试,以确定它们在某些材料中作为固态润滑剂的作用。 

研究人员在纳米尺度下进行了球对圆盘的摩擦试验,将碳化钛MXene沉积在硅基板(圆盘)上,硅基板上覆盖了一层薄薄的二氧化硅,二氧化硅是沙子的主要成分。然后,他们测试了MXene的抗磨损能力,将其滑动到一个类似金刚石的碳涂层钢球上。他们在干燥的含氮环境中进行了这些测试,湿度大大降低。

Mochalin说,测试发现MXene在钢球和硅涂层圆盘之间相互作用,致使“超润滑状态”下摩擦系数为0.0067到0.0017。摩擦系数是指两个物体之间的摩擦量,由一个值决定,通常在0到1之间。数值越低,摩擦力越小。

当研究小组将石墨烯添加到钛-卡宾碳MXene中,结果甚至更好。研究人员在他们的论文中写道,添加石墨烯“进一步降低了37.3%的摩擦和2倍的磨损”,而不影响MXene的超级润滑剂性能。

“这些结果为探索MXenes家族在各种摩擦学应用提供了新的可能性。”Mochalin表示。摩擦学是研究相互作用表面的摩擦、磨损和润滑的学科。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:

https://phys.org/news/2021-03-newly-material-ease-extraterrestrial-vehicles.html

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590049821000035?via%3Dihub


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