Jak każda dziedzina, tak i motoryzacja nie musiała czekać długo na wdrożenie nowoczesnych technologii poprawiających właściwości stosowanych już materiałów. Największy nacisk od razu położono na oleje silnikowe, ponieważ zauważono, że w tym zakresie nanotechnologia oferuje największy potencjał. Jednym z pierwszych preparatów, które były dodawane do olejów w celu polepszenia ich właściwości, był dwusiarczek molibdenu (MoS2).

Model dwusiarczku molibdenu. Dzięki swym właściwościom nie łączy się z innymi pierwiastkami, tworząc warstwę „ślizgową”.

Charakteryzuje się on bardzo niską siłą przyciągania międzycząsteczkowego, co powoduje znaczne obniżenie tarcia wewnętrznego zachodzącego w oleju. Dodatkowo cząsteczki te wnikają w mikrorysy powstające podczas obróbki powierzchni metalowych, wypełniając je, co wpływa na zmniejszenie tarcia współpracujących ze sobą elementów. Ogólną cechą nanocząsteczek jest to, że nie łączą się one w skupiska i tworzą w oleju zawiesinę, która nie jest wyłapywana przez filtr i nie odkłada się w kanałach olejowych. Wadą dwusiarczku molibdenu jest natomiast jego rozpad w temperaturze 500°C, co może mieć miejsce na przykład w momencie narażenia filmu olejowego na działanie płomienia podczas spalania paliwa w cylindrze. Po przekroczeniu tej temperatury cząsteczki utleniają się, tworząc trójtlenek molibdenu.

Kolejnym związkiem z dziedziny nanotechnologii jest dwusiarczek wolframu (WS2), który jest znacznie bardziej wytrzymały na działanie wysokich temperatur. Jego degradacja następuje dopiero w temperaturze 1250°C. Związek ten w postaci nanocząsteczek (zawiesiny w bazie olejowej) jest składnikiem dodatków do olejów silnikowych i przekładniowych. Zawiesina ta zwana jest nanoolejem fulerenowym i – podobnie jak w przypadku dwusiarczku molibdenu – można dzięki niej uzyskać znaczną redukcję tarcia. Dwusiarczek wolframu (WS2) jest jednym z najbardziej smarnych materiałów znanych nauce. Posiadając współczynnik tarcia 0,03, zapewnia on doskonałą smarność na sucho, nieosiągalną dla żadnych innych substancji. Może być stosowany w wysokiej temperaturze i przy wysokich ciśnieniach roboczych.

Ogólnie nanotechnologia w olejach silnikowych opiera się na 60-atomowej sferze zwanej z ang. „Bucky Ball” (dwudziestościan ścięty), która na poziomie atomu wygląda jak piłka futbolowa. Przy zastosowaniu konwencjonalnych olejów mikroskopijne nierówności występujące na powierzchni metalu oddziałują wzajemnie na siebie i w konsekwencji odrywają się. To właśnie te szczeliny wypełniane są przez nanocząsteczki, które, działając podobnie do miliardów kulek łożyskowych tworzą na poziomie atomowym, bardziej jednolitą powierzchnię pozwalającą na przetaczanie się po niej pozostałych nanocząsteczek, co przypomina zasadę działania łożyska kulkowego.

O krok dalej

Nie trzeba było jednak długo czekać, aby ktoś dodał grafenu do oleju silnikowego w celu poprawienia jego parametrów – podobnie jak to było z dwusiarczkiem molibdenu (MoS2) czy dwusiarczkiem wolframu (WS2). Okazało się, że grafen działa jeszcze lepiej od wcześniej wymienionych substancji. Naukowcy z uniwersytetu Northwestern odkryli, że „zgniecione” kulki grafenu świetnie sprawdzają się jako dodatek smarujący. W serii przeprowadzonych testów olej modyfikowany nanokulkami grafenu pokonał kilka smarów handlowych o 15%, zarówno jeśli chodzi o zmniejszenie tarcia, jak i stopnia zużycia powierzchni stalowych.

„Zgniecione kulki” grafenowe to typ najdrobniejszych cząstek odkrytych około 10 lat temu. Przypominają one pogniecione kulki papieru. Cząstki te uzyskiwane są przez suszenie maleńkich kropelek wody, które w środku zawierają grafen. Kapilarne siły generowane przy odparowaniu wody gniotą arkusze grafenu w miniaturowe kulki o nieregularnych kształtach.

Kulki te, dodane do oleju smarowego, działają podobnie jak cząsteczki dwusiarczku molibdenu i wolframu, wypełniając mikrorysy oraz tworząc powłokę, po której łatwo przetaczają się kolejne cząsteczki.

Bibliografia:
1. „Nanocząstki w środkach smarowych”, Wojciech Krasodomski, Anna Rembiesa-Śmiszek, Agnieszka Skibińska, Instytut Nafty i Gazu, Kraków.
2. Podręcznik Smarowniczy LOTOS OIL.