Článek
Studii vedli vědci ze Skupiny pokročilých materiálů (Mengzhou Liao, Paolo Nicolini, Victor Claerbout, Tomáš Polcar) na katedře řídící techniky Fakulty elektrotechnické ČVUT. Publikoval ji prestižní časopis Nature Materials.
Tření je hlavní příčinou ztráty energie a opotřebení všech mechanických materiálů. Ke snížení tření se běžně používají tekutá maziva, která však nejsou podle odborníků pro všechny aplikace vhodná a finančně výhodná.
Na ČVUT představili laboratoř za 40 milionů pro výzkum nanoelektrických technologií
Výzkumný tým, který stojí za současným objevem, se dlouhodobě zaměřuje na hledání tzv. superlubrikantů, což jsou pevné materiály, jejichž součinitel tření se teoreticky blíží nule.
„Tření je přeměna užitečné energie v energii ztrátovou - typicky teplo, které je navíc mnohdy spojené s poškozením materiálu a jeho otěrem,“ konstatoval Tomáš Polcar, který Skupinu pokročilých materiálů vede.
Tomáš Polcar (vlevo) a jeho postdoktorand Mengzhou Liao
Tření podle Polcarových slov - na rozdíl od mnoha fyzikálních jevů - důvěrně známe. „Podvědomě ho odhadujeme, kupříkladu když zvedáme skleničku, a dokážeme ho i ovlivňovat, třeba nasliněním prstu při otáčení stránek,” vysvětlil.
„Položili jsme si tedy otázku: Jaké je nejnižší možné tření? Můžeme připravit kombinaci materiálu, kde by tření bylo téměř nulové?“ doplnil.
Odpověď je ve 2D materiálech
Polcarův tým nakonec našel odpověď v tzv. dvourozměrných (2D) materiálech, které tvoří tenké vrstvy sulfidu molybdeničitého, grafenu či nitridu boritého. Díky využití vlastností těchto materiálů pak vědci naměřili dosud nejnižší součinitel tření, zmíněnou jednu miliontinu.
„Typické tření za sucha je přitom mezi 0,3 a 1, někdy to může být i více. Třeba ocel proti oceli je 0,6, dřevo proti dřevu 0,3, lidská kůže proti oceli 0,9,” poznamenal Polcar pro Novinky s tím, že vždy záleží na dvojici materiálů a dalších podmínkách jako teplota, vlhkost vzduchu atd.
| 2D materiály |
|---|
| Tento typ materiálů byl připraven teprve v roce 2004, prvním z nich byl grafen. Můžeme si je představit jako jednu nebo více řad atomů. Vzdáleně bychom je mohli přirovnat k listu papíru, jehož tloušťka je ale tak slabá, že v extrémním případě se jedná opravdu jen o jednu vrstvu atomů. |
| Díky tomu, že jim de facto chybí třetí rozměr, jsou jejich fyzikální vlastnosti jiné než u běžných typů materiálů. Mají například jiné optické a elektrické vlastnosti, takže se využívají třeba v laserech nebo jiných optických zařízeních. |
| Nemají rovněž téměř žádnou hmotnost a tloušťku. Pokud tedy mluvíme o jejich aplikaci jako maziva, není nutné nijak měnit design výrobku. |
| Dvourozměrné materiály jsou vlastně extrémním případem nanomateriálů, protože pracovat na menší úrovni můžeme jen těžko. |
| Tomáš Polcar, FEL ČVUT |
Polcar uvedl, že kombinace materiálů, kterou zvolil jeho tým (např. sulfid molybdeničitý vs. grafen), zaručuje nízké tření nezávislé na směru pohybu.
„To byla dosud hlavní překážka na cestě k tzv. superlubricitě. S tak nízkým třením bychom teoreticky dokázali rukou posunout objekt vážící tisíc tun,“ prohlásil.
Toto není smetí, ale 2D materiály.
Nyní se výzkumníci snaží o přenos 2D materiálů do praktických aplikací, např. posuvů využívaných v robotice. Podle Polcara by mohly najít uplatnění i jako mazání ve strojním inženýrství. Nějakých aplikací v praxi se podle něj dočkáme do deseti let.
Nanomateriál „z Marsu“ má umožnit levnější výrobu léčiv a chemikálií
„Umím si představit, že vezmeme poměrně velký kus takového materiálu a zabalíme do něj konkrétní součástku. Tím pádem ji dokážeme chránit před vnějšími vlivy anebo snížíme tření jejího povrchu,“ zmínil odborník.
Jednou z cílových aplikací budou podle něj i ložiska telekomunikačních satelitů.
Část laboratorní aparatury pro magnetronové naprašování
Důležitým procesem pro techniky je při testování materiálů i tzv. magnetronové naprašování.
„Jde o proces, při němž se pomocí plazmatu ukládají tenké vrstvy zvoleného materiálu, doslova atom po atomu. Industriální aparatura pak umožní tento proces přímo aplikovat na velké součástky používané průmyslem, jako jsou např. tvářecí formy, skla, obráběcí nástroje či ložiska. V našem případě ho využíváme i pro přípravu samomazných povlaků, které během tření vytváří právě 2D materiály snižující součinitel tření a opotřebení,“ vysvětlil Polcar pro Novinky.
Členové Skupiny pokročilých materiálů na FEL ČVUT
