Ein neuer zweidimensionaler Nanomaterial, Mxene, kann auch als Schmiermittel bei extremen Temperaturen oder dem Vakuum des Raums wirken

Sie können Fahrradketten mit Öl schmieren, aber was ist mit heißen Förderbändern in der Stahlindustrie oder auf Mars Rovers? Die Wiener Universität für Technologie hat inzwischen zusammen mit Forschungsgruppen aus Saarbrucken (Deutschland), der Purdue University in den USA und der University of Chile (Santiago, Chile) ganz besondere Nanomaterialien studiert.

In den letzten Jahren hat die Materialkategorie von Mxenes (ausgesprochen "Maxene") im Zusammenhang mit neuen Batterie -Technologien einen Aufsehen erregt. Jetzt erweisen sie sich aber auch als ein ausgezeichnetes festes Schmiermittel, äußerst langlebig und in der Lage, ihre Aufgaben auch unter den schwierigsten Bedingungen auszuführen. Diese überlegenen Eigenschaften von Mxenen wurden jetzt im prestigeträchtigen ACS Nano Journal veröffentlicht.

Wie das Carbonmaterial-Graphen fällt Mxen in die Kategorie der sogenannten 2D-Materialien: Sie sind ultradünne Schichten einzelner Atome und haben keine starken Bindungen an die oberen oder unteren Schichten.



Professor Carsten Gachot, Leiter der Tribology Group am TU Institute of Engineering Design und Produktentwicklung, sagt, Sie beginnen zunächst mit der sogenannten Max-Stufe, einem System von speziellen Schichten aus Titan, Aluminium und Kohlenstoff. Der Schlüsseltrick besteht darin, Aluminium mit Hydrofluorsäure zu ätzen.



Dann ist ein Haufen Atome und dünne Schichten Titan und Kohlenstoff, die wie Papierstücke locker gestapelt sind. Jede Schicht ist für sich selbst relativ stabil, aber die Schichten können sich leicht zueinander bewegen.

Diese Portabilität zwischen Atomschichten macht das Material zu einem hervorragenden trockenen Schmiermittel: Das Gleiten mit sehr geringem Widerstand kann ohne Verschleiß erreicht werden. Infolgedessen kann die Reibung zwischen den Stahloberflächen auf ein Sechstel reduziert werden, und die Verschleißfestigkeit ist extrem hoch: Die MXen-Schmierschicht funktioniert auch nach 100.000 Bewegungszyklen noch richtig.



Dies ist ideal für die Verwendung unter schwierigen Bedingungen: Im Weltraumflug verdampft beispielsweise das Schmieren von Öl sofort in einem Vakuum, aber dort kann Mxen in feiner Pulverform auch verwendet werden.



Es hat nichts mit Atmosphäre oder Temperatur zu tun



Laut Carsten Gachot wurden ähnliche Ansätze für andere Dünnfilmmaterialien wie Graphen oder Molybdän Disulfid ausprobiert. Aber sie reagieren sensibel auf Feuchtigkeit in der Atmosphäre. Wassermoleküle können die Bindungskraft zwischen den Schichten verändern. Für Mxene hingegen hat es weniger Auswirkungen.



Ein weiterer entscheidender Vorteil ist der Wärmebeständigkeit von Mxenen, da viele Schmiermittel ihre Schmierigkeit bei hohen Temperaturen oxidieren und verlieren. Mxenes hingegen ist stabiler und kann sogar in der Stahlindustrie verwendet werden, wo Teile, die sich manchmal mechanisch bewegen, Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erreichen.



Dr. Philip Grutzmacher von Professor Gachots Forschungsgruppe, zusammen mit der Universität Saarbuken in Saarbuken und der Purdue University in den USA, untersuchte das Pulverschmiermittel in mehreren Experimenten an Tu Wien. Auf der anderen Seite der Welt war Professor Andreas Rosenkranz in Chile maßgeblich an der Initiierung und Gestaltung dieser Arbeit beteiligt.



Laut Carsten Gachot gab es auch ein wesentliches Interesse an den Materialien aus der Industrie. Wir glauben, dass dieses Mxen sehr schnell in Massenproduktion hergestellt werden kann.