Před dvěma lety snížili u pevného maziva součinitel tření zhruba na miliontinu a publikovali článek v Nature Materials. Výsledky tehdejšího výzkumu se do průmyslové praxe zatím nedostaly, avšak tým Tomáše Polcara z katedry řídicí techniky FEL ČVUT nezahálí. Tým vědců pod vedením Tomáše Polcara, který se na katedře řídicí techniky FEL ČVUT věnuje materiálovému inženýrství, zaměřuje svou pozornost na možnosti nanášení 2D materiálů na povrchy, a dále pak také na samoadaptivní pevné lubrikanty. Ty mají větší potenciál přesunout se z laboratoře k praktickému využití. Typickým 2D materiálem, který lze použít pro experimenty s mazáním za sucha, je grafen, respektive grafenové vrstvičky. Ty jsou tvořeny z jedné řady k sobě velmi silně vázaných atomů, které avšak mezi sebou nijak neinteragují, což mimo jiné znamená, že po sobě velmi dobře kloužou. Dalším vhodným materiálem (z mnoha možných) je například disulfid molybdenu, jenž má velmi podobné vlastnosti — i v tomto případě mají atomy silnou kovalentní vazbu, jeho vrstvy však mezi sebou nemají žádné interakce. Jen je v tomto případě vrstva složená nikoliv z jedné řady atomů, ale ze tří: síra — molybden — síra. „V našem někdejším experimentu jsme ověřili, že když se 2D materiály dobře zkombinují, můžeme v laboratorním měřítku snížit součinitel tření až na miliontinu,“ vzpomíná Tomáš Polcar na úspěch svého týmu, jejichž práci před dvěma roky otiskl prestižní časopis Nature Materials, a druhým dechem dodává, že s tímto pro vědu krásným výsledkem se ovšem pojí také mnoho praktických problémů, na které teprve musí vědci najít odpovědi. Ač je takzvaný 2D materiál v podstatě složen z jedné (nebo o trochu více) vrstvičky atomů, a je tedy nesmírně tenký, dokáže změnit optické vlastnosti světla, které přes něj prochází. Proto je možné jej vidět pouhým okem a i přes jeho „absolutní“ tenkost jej lze uchopit rukou. Zároveň je ale právě pro tuto svou tenkost extrémně náchylný na poškození a výrobní defekty, tedy stavy, které snižují jeho jinak vynikající kluzné vlastnosti. Podle Tomáše Polcara je zatím laboratorně možné vyrobit plátek, který lze vizuálně i rozměrově přirovnat k hodně tenkému listu papíru A5. Ale i kdyby bylo možné vyrobit plát větší, bylo by nesmírně obtížné s ním za současných možností pokrýt povrchy typické pro průmysl, které jsou třeba 1 000× drsnější. Buď by se potrhal už při nanášení, nebo by došlo k poškození následně během tření. „Momentálně se tedy nabízejí pouze dvě možné aplikace. Tou první je konkrétní jednorázové využití ve vesmírných projektech, jako je vypouštění satelitů. Druhou je vlastně trochu cesta zpět, kdy by se 2D materiály distribuovaly k povrchům prostřednictvím klasických olejových maziv. Pro jiné aplikace zatím nejsou 2D materiály v této podobě použitelné.“ Základní výzkum v oblasti transferu 2D vrstviček na povrchy předmětů na ČVUT tak pokračuje. Tým profesora Polcara před nedávnem publikoval článek, v němž popisuje zcela unikátní experiment. „Podařilo se nám za pomoci polymeru jako nosiče obtisknout vrstvičku grafenu na ložiskovou kuličku. Tu jsme pak třeli v běžném zařízení pro testování ložisek, jehož stěnu jsme povlakovali disulfidem molybdenu. Závěr experimentu sice zní, že tato konfigurace nevede ke kýženému výsledku, ale zároveň jsme zaznamenali velmi zajímavý vedlejší efekt.“ Při přenosu vrstvičky z polymeru na kuličku totiž zůstal na povrchu náboj, který extrémně snížil tření. „Ze začátku jsme byli nadšení, protože jsme získali jen téměř zanedbatelné tření a nulový otěr, ale pak jsme zjistili, že za výsledky nestojí vlastnosti námi kombinovaných materiálů, nýbrž prosté nabití povrchů. Když pak náboj po dvou dnech vymizel, kluzné vlastnosti se zhoršily a 2D materiál se poškodil,“ vzpomíná, přičemž vzápětí dodává, že o možnosti dodávání náboje pro udržení ideálních vlastností ve zmiňovaném článku samozřejmě referovali.
Cestou je samoadaptivní pevné mazání…
Jedním z možných řešení této až patové situace v oblasti výroby a funkčního povlakování 2D materiály by mohlo být využívání samoadaptivních pevných lubrikantů. Jde o amorfní materiál, který v sobě obsahuje nejen atomy prvků, z nichž se 2D vrstvičky běžně skládají, například molybden a síra, ale třeba i uhlík, dusík či vybrané kovy. Jakmile se takový materiál začne třít, vzniká teplo, které aktivuje proces difuze, tedy okamžik, kdy atomy začnou po povrchu migrovat a sestavovat se na třecím rozhraní do struktur 2D materiálu. „Znamená to, že nemusíme 2D materiál vyrábět energeticky náročnou, a tedy i nákladnou cestou ve speciálním externím zařízení a nemusíme pak přemýšlet, jak materiál přesouvat na místo určení. Tento amorfní materiál, z nějž třením 2D vrstvy vznikají, můžeme připravit naprosto běžnými metodami v průmyslu a můžeme jej také relativně snadno nanášet,“ vysvětluje rozdíl mezi technologiemi Tomáš Polcar. Avšak i v tomto případě může být určitým limitem technologie životnost výsledného 2D materiálu. Vědci se proto momentálně soustředí na studování možností, jak životnost prodloužit. Faktorů, na nichž to závisí, je celá řada. Klíčové je například, z jakých prvků je složená a jaké mechanické vlastnosti má původní amorfní vrstva, jak dobře drží na substrátu a potom také to, jak ta vrstva samotná interaguje s okolím. „Ke studiu využíváme atomistické simulace, v jejichž rámci sledujeme, jak vrstvy interagují třeba s vodou či kyslíkem. Můžeme simulovat klidně tisíc různých materiálových kombinací a hledáme optimum či hodnoty kolem něj. Jakmile jej najdeme, přistupujeme k experimentální zkoušce, kdy vyrobíme vzorky a ty testujeme,“ pokračuje a dodává, že díky znalostem 2D materiálů si tým může ověřit, jak frikční zákony fungují v mikroměřítku a tyto zkušenosti pak využít v simulacích pro makroměřítko a pro zkušební aplikace v průmyslové praxi. Jedním z hmatatelných výsledků výzkumu využívání samoadaptivních pevných lubrikantů byl projekt v rámci TAČR s průmyslovým partnerem Jihlavan, který vyrábí aktuátory pro letadla i stíhačky. „Podařilo se nám nahradit mazanou součástku v aktuátoru naší samoadaptivní vrstvou, která vytváří při tření 2D materiály. Znamená to, že součástka už nemusí být mazána olejově, přesto vydrží dvakrát déle.“ Na základě této aplikace napsal tým Tomáše Polcara žádost o mezinárodní evropský projekt, k němuž našel průmyslové partnery ve Španělsku a v Německu. Za Česko se stala průmyslovým partnerem společnost Advamat, univerzitní spin-off ČVUT a spolupráce se v rámci tohoto projektu navázala i s Fraunhoferovým institutem, německou organizací zaměřenou na aplikovaný výzkum. „Žádost o projekt byla úspěšná, získali jsme grant ve výši dvou milionů eur. Podařilo se nám 2D vrstvu připravit pomocí zcela nové technologie a testovat ji u našich partnerů přímo v provozu. Nyní projekt finalizujeme a budeme prezentovat výsledky všech měření z průmyslu.“
…vizí budoucnosti je voda
Tým Tomáše Polcara se ovšem nezabývá pouze výzkumem 2D materiálů. Novou výzkumnou větví je i mazání vodou ve speciálních aplikacích, na níž momentálně vzniká i evropský projekt. Důvodem, proč se vědci zaměřili na vodu, která se oprávněně může na první pohled zdát pro mazání zcela nevhodná, je počínající proměna situace v průmyslu. Ocel či jiné kovy začínají v některých aplikacích nahrazovat polymery, protože taková výroba je pak jednodušší i levnější. Produkt je navíc lehčí a snadno recyklovatelný. „Povrchy produktů z polymerů se ale také musejí chránit, takže se na ně běžně nanáší vrstva DLC (diamond-like carbon), což je amorfní uhlíkový materiál, který má některé vlastnosti shodné s diamantem. Výrazně například snižuje tření a relativně dobře maže za přítomnosti vody. S jeho strukturou si lze navíc hrát. Můžeme do ní přidávat vodík, křemík, titan nebo třeba wolfram,“ říká profesor a dodává, že projekt se bude zaměřovat na toto takzvané dopování různými prvky. „Chceme najít kombinace, díky nimž bude vrstva DLC dobře interagovat s vodou. Cílem je tedy optimalizace za pomoci počítačových simulací, která bude buď snižovat tření, nebo zvyšovat odolnost.“ Dalším krokem by pak mělo být zaměření nikoliv na minerálů prostou demi vodu, ale na obyčejnou vodu z kohoutku a také na vodu mořskou. „Každý motor na člunu má mnoho součástí, které se pohybují a musejí se mazat. A bylo by skvělé je místo oleji mazat mořskou vodou. Budeme chtít připravit povrch tak, aby interagoval se solí ve vodě a vytvořil vrstvičku, která by mohla mazat,“ odhaluje Tomáš Polcar plány budoucích výzkumů a na závěr dodává, že kdyby se dala nahradit byť jen jedna setina procenta světově používaných olejů, šlo by o environmentální úsporu v řádů tisíců tun olejů ročně (!). „Myslíme to vážně, a proto už pro náš evropský projekt hledáme i průmyslové partnery, kteří by měli zájem se do něj s námi pustit.“ /Kristina Kadlas Blümelová/
