2D-Materialien Neuer Schmierstoff bildet sich einfach von selbst

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Forscher der TU Wien nutzen 2D-Materialien für die Entwicklung von Hightech-Schmierstoffen, die sich bei Bedarf von selbst bilden können, wie es heißt.

Den Weg, Schmierstoffe zu entwickeln, die sich bei Bedarf von selber bilden, um Reibung in beweglichen Systemen zu vermindern, ist überall dort interessant, wo übliche Schmierstoffe versagen oder keine Wartung möglich ist, so die Wiener Experten. Durch die Wahl passender Materialien könne man erreichen, dass sich bei mechanischer Beanspruchung spezielle 2D-Materialien bilden, die höchst effektiv die Reibung verringern. Das heißt, dass eine hohe Reibung ganz von selbst zu einer Verringerung der Reibung führt – das System reguliert sich also selbst. Speziell für Anwendungen im Weltraum, wo flüssige Schmierstoffe versagen und keine Wartung möglich ist, birgt diese neue Technik große Vorteile.

2D-Material-Schmierstoff hilft in der Weltraumforschung

Im Gegensatz zu herkömmlichen Schmierstoffen wie Öl, die in flüssigem Zustand verwendet werden, können 2D-Materialien als Pulver verwendet werden. Das sei besonders dann ein großer Vorteil, wenn eine Maschine bei hohen Temperaturen oder im Vakuum funktionieren soll, wo Flüssigkeiten rasch verdampfen würden. Deshalb spielen solche Schmierstoffe ganz besonders in der Weltraumtechnik eine wichtige Rolle. Sie wurden übrigens auch schon beim James-Webb-Weltraumteleskop verwendet. Bei gewöhnlichen Bedingungen auf der Erde sind solche Materialien aber schwer zu handhaben. Durch Kontakt mit Sauerstoff oder Luftfeuchtigkeit können sie nämlich oxidieren und werden damit unbrauchbar. Optimal sei also ein 2D-Material, das genau dort erst entsteht, wo es gebraucht wird. Genau das haben die Forscher an der TU Wien geschafft.

Nachgewiesener Effekt der Selbstbildung des Schmierstoffs

Man nimmt dazu einfach ein mechanisches Bauteil aus Stahl und überzieht es mit einer wenige Mikrometer dünnen Schicht aus dem Element Molybdän. Selen wird dann als Pulver hinzugefügt. Bei mechanischer Beanspruchung, etwa wenn zwei solche Bauteile aneinander reiben, kommt es zu einer tribochemischen Reaktion. Selen und Molybdän verbinden sich dabei zu Flakes aus Molybdändiselenid (MoS2), die dann als Schmierstoff fungieren. Die damit erfolgten Messungen zeigen schließlich, dass sobald starke Reibung auftritt, der Schmierstoff entsteht. Die Reibung nimmt dann sofort drastisch ab und sinkt im Verlauf des Experiments weiter, so die Forscher. Mit speziellen bildgebenden Verfahren konnte man nachweisen, dass dieser Effekt tatsächlich durch die Entstehung von ultradünnen Schichten aus Molybdänselenid zustande kommt.

Deutlich effizienterer Schmierstoff mit langer Lebensdauer

Im Gegensatz zu Beschichtungen aus vorab synthetisierten 2D-Materialien aus MoS2 zersetzen sich die Ausgangsmaterialien (Molybdän und Selenpulver) für den Prozess in Kontakt mit Sauerstoff oder Luftfeuchtigkeit nicht, wie die Wiener betonen. Dadurch erweitere sich der Einsatzbereich dieses Schmierstoffsystems deutlich. Interessant ist diese Technologie auch für viele Einsatzbereiche, in denen flüssige Schmierstoffe Probleme verursachen. Etwa, weil hohe Temperaturen herrschen oder weil es bei der Verwendung von Ölen zu Kontaminationen kommen könnte. Ein weiterer wichtiger Vorteil sei, dass der neuartige Schmierstoff auch noch immer genau dort gebildet werde, wo er rasch benötigt werde. Das könne durch einfaches Zuführen von Pulver auch jederzeit wiederholt werden. Somit wurde ein deutlich effizienteres Schmierstoffsystem mit längerer Lebensdauer geschaffen.

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