Trenje in obraba sta pomembna dejavnika, ki prispevata k rabi energije in okvari komponent v mehanskih sistemih. Zmanjšanje trenja na stopnjo supermazalnosti (µ< 0.01) je sodobna strategija za zmanjšanje rabe energije in obrabe v industrijskih sistemih. V najnovejši študiji so raziskovalci Laboratorija za tribologijo in površinsko nanotehnologijo (TINT) dokazali, da je eden izmed učinkovitih pristopov za zmanjšanje trenja in obrabe uporaba grafenskih kvantnih pik (GQD), ki so jih dodali vodnem glicerolu. Raziskava je bila opravljena v sodelovanju s Kemijskim inštitutom (Ljubljana, Slovenija), Institutom Jožef Stefan (Ljubljana, Slovenija) in Univerzo v Coimbri (Coimbra, Portugalska). Delo je objavljeno v priznani reviji Materials & Design (IF=7.6).
Tradicionalna maziva na oljni osnovi, ki se v industriji najpogosteje uporabljajo za zmanjšanje trenja in obrabe, vsebujejo nevarne elemente, kot so fosfor, cink in žveplo, ki znatno prispevajo k onesnaževanju okolja. Nasprotno pa so v zadnjem času, zaradi manjše obremenitve okolja in odlične topnosti v vodi, vse večje pozornosti deležna biološko razgradljiva olja ter polihidrični alkoholi. Med slednjimi je najbolj razširjen glicerol zaradi svoje dobre biokompatibilnosti in nizke cene, a je njegova uporaba omejena zaradi dolgega obdobja utekanja za dosego stabilneg, nizkega trenja, kar povzroči visoko obrabo.
Raziskovalci v študiji izpostavljajo odlične tribološke lastnosti grafenskih kvantnih pik (GQD) kot dodatka v vodnem glicerolu za stike jeklo/jeklo pri visokem kontaktnem tlaku. Dodatek majhne količine (0,1%) GQD vodnemu glicerolu znatno skrajša čas utekanja in zmanjša COF na povprečno vrednost 0,012, kar je skoraj enakovredno supermazalnosti in pomeni 88-odstotno izboljšanje v primerjavi z vodnim glicerolom. Poleg tega se učinkovitost proti obrabi izboljša za 98 % (slika 1), kar ima za posledico izjemno nizko trenje tudi pri visokem kontaktnem tlaku 316,5 MPa v režimu mejnega mazanja.
Slika 1: Sposobnost zmanjšanja trenja in obrabe nanomaziv na osnovi GQD; (a) Krivulja COF v odvisnosti od časa, (b) spreminjanje volumna obrabe v primerjavi z vodnim glicerolom.
Tako izboljšanje tribološke učinkovitosti so v študiji pripisali več dejavnikom, vključno s striženjem grafenskih plasti znotraj GQD, luščenjem oz. razslojevanjem grafenskih plasti znotraj GQD in odbojem OH–OH skupin med vršički v fazi utekanja. Pri tem se tribokemijski film oblikuje z elektrostatično adsorpcijo GQD na pozitivno nabiti obrabljeni kovinski površini, medtem ko so GQD v tribofilmu podvržene tribo-inducirani strukturni degradaciji, ki ščiti površino pred obrabo in omogoči vzdrževanje izjemno nizkega trenja pri visokem kontaktnem tlaku (glej sliko 2).
Slika 2: Predlagani mehanizem mazanja kontaktov jekla v režimu mejnega mazanja z uporabo GQDsaq. (a) Splošna predstavitev tribotesta (vstavljena SEM slika sledi obrabe), (b) shema tribokemijskega filma, oblikovanega na obrabljeni jekleni površini, (c) adsorpcijski mehanizem GQD, ki kaže anion iz GQD, adsorbiran na pozitivno nabiti obrabljeni jekleni površini preko elektrostatične interakcije, kar omogoči tvorbo robustnega tribofilma, (d) shema odbijanja OH–OH skupin med vršički, ki preprečujejo neposreden stik med površinami.