22.04.2021 - Technische Universität Wien

Nanomaterial 2D MXene: el lubricante perfecto

En el calor extremo o en el vacío del espacio: un novedoso nanomaterial ofrece el máximo rendimiento en situaciones extremas

Se puede lubricar una cadena de bicicleta con aceite, pero ¿qué se puede hacer con un vehículo explorador de Marte o una cinta transportadora al rojo vivo en la industria del acero? La Universidad Técnica de Viena, junto con grupos de investigación de Saarbrücken (Alemania), la Universidad de Purdue (EE.UU.) y la Universidad de Chile (Santiago de Chile), ha estudiado unos nanomateriales muy especiales.

La clase de material de los MXenos (se pronuncia "maxeno") ha causado bastante revuelo en los últimos años en relación con las nuevas tecnologías de baterías. Pero ahora resulta que también son un excelente lubricante sólido que es extremadamente duradero y cumple su cometido incluso en las condiciones más difíciles. Estas notables propiedades de los MXenos se han publicado ahora en la revista ACS Nano.

Como una pila de hojas de papel

Al igual que el material de carbono, el grafeno, los MXenos pertenecen a la clase de los llamados materiales 2D: sus propiedades están determinadas esencialmente por el hecho de que son capas ultrafinas, capas atómicas individuales, sin enlaces fuertes con la capa superior o inferior.

"Primero se parte de las llamadas fases MAX, que son sistemas de capas especiales formadas por titanio, aluminio y carbono, por ejemplo", explica el profesor Carsten Gachot, jefe del Grupo de Tribología del Instituto de Diseño de Ingeniería y Desarrollo de Productos de la Universidad Técnica de Viena. "El truco crucial es grabar el aluminio con ácido fluorhídrico".

Lo que queda es una pila de capas atómicamente finas de titanio y carbono que se superponen, como si fueran hojas de papel. Cada capa es relativamente estable por sí sola, pero las capas pueden desplazarse fácilmente unas contra otras.

Esta capacidad de desplazamiento de las capas atómicas entre sí convierte al material en un excelente lubricante seco: sin generar abrasión, se hace posible un deslizamiento de muy baja resistencia. Así, la fricción entre las superficies de acero puede reducirse a una sexta parte, y con una resistencia al desgaste excepcionalmente alta: incluso después de 100.000 ciclos de movimiento, la capa lubricante MXene sigue funcionando sin problemas.

Esto es perfecto para el uso en condiciones difíciles: Mientras que el aceite lubricante se evaporaría inmediatamente en el vacío durante las misiones espaciales, por ejemplo, el MXene en forma de polvo fino también puede utilizarse allí.

Independiente de la atmósfera y la temperatura

"Se han intentado cosas similares con otros materiales de película fina, como el grafeno o el disulfuro de molibdeno", dice Carsten Gachot. "Pero reaccionan de forma sensible a la humedad de la atmósfera. Las moléculas de agua pueden modificar las fuerzas de unión entre las distintas capas. En cambio, en el caso de los MXenos esto juega un papel menor".

Otra ventaja decisiva es la resistencia al calor de los MXenos: "Muchos lubricantes se oxidan a altas temperaturas y pierden su lubricidad. Los MXenos, en cambio, son mucho más estables y pueden utilizarse incluso en la industria siderúrgica, donde las piezas con movimiento mecánico pueden alcanzar a veces una temperatura de varios cientos de grados centígrados", explica Gachot.

El lubricante en polvo fue investigado en varios experimentos en la Universidad Técnica de Viena por el Dr. Philipp Grützmacher, del grupo de investigación del profesor Gachot, así como en la Universidad de Saarland, en Saarbrücken, y en la Universidad de Purdue, en Estados Unidos. En el otro extremo del mundo, el profesor Andreas Rosenkranz, de Chile, ha desempeñado un papel importante en el inicio y el diseño del trabajo.

"La industria también tiene ya un gran interés por estos materiales. Suponemos que pronto se podrán producir estos MXenos a gran escala", afirma Carsten Gachot.

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