Tribologie dělá vše pro to, aby snížila ztráty způsobené třením. Dnes se tak děje především s pomocí hojně rozšířených kapalných maziv. Ovšem v 21. století byla objevena slibná možnost, jak by se „mazání“ dalo dále vylepšit a ztráty způsobené třením snížit.
Každým rokem padne nezanedbatelné množství energie, ať už na překonání samotného tření, tak na výrobu náhradních dílů za ty, které se třením opotřebovaly. Řádově několik jednotek procent výkonu automobilu se vynaloží na překonání tření jeho součástek. Moderní řešení vedoucí ke snižování ztrát způsobených třením nabízejí takzvané 2D materiály, tedy látky, které se vlastně chovají, jako kdyby byly dokonale ploché. Prvním z nich byl grafen, jenž v roce 2004 zájem o tento typ látek nastartoval. Grafen se však doposud příliš nevyužívá, protože se ho nedaří vyrábět levně a ve větším množství. Stal se ovšem inspirací pro celou řadu jiných 2D materiálů, z nichž některé by mohly v brzké době najít zajímavé uplatnění. Možná třeba i jako maziva. Nikdo sice netvrdí (alespoň zatím), že by takové látky v dohledné době měly nahradit kapalné lubrikanty. Ale již dnes se najde dost zajímavých aplikací, pro které se oleje či podobná maziva prostě nehodí a tuhá maziva by se tam uplatnit mohla. Někde se už dokonce uplatňují, ale samozřejmě další zlepšení jsou možná. Olej nemůžete používat například pro mazání chirurgických šroubů. Kapalná maziva se nehodí ani pro použití ve vakuu; přitom i družice mohou obsahovat pohyblivé díly, jež by potřebovaly „čas od času promazat“. Kapalná maziva mohou být problematická také v elektromobilech, a to v důsledku výskytu bludných proudů, jež mohou lubrikant znehodnotit. Nejde však pouze o náhradu klasických maziv. Z hlediska vědců, které zajímá tření, je na těchto plochých materiálech úžasné i to, jak jsou jednotvárné. Povrch grafenu (a dalších podobných materiálů) je tak nezajímavý, jak si jen dokážete představit — v lidském měřítku by to byla k zešílení nudná a plochá nekonečná rovina. Současná „věda o tření“ má však s čímkoliv složitějším ohromné potíže. Vysvětluje to Tomáš Polcar z fakulty FEL ČVUT: „Tření dvou pevných povrchů je neuvěřitelně složitý proces, který do matematických vzorů zatím nedokážeme nijak přepsat.“ Když se setkají dva takové prakticky dokonale ploché materiály, je to diametrálně jednodušší děj než setkání vašeho prstu s plochou stolu. Simulace musejí přesto probíhat na superpočítačích, a ani tak nejsou přesné natolik, jak by si vědci představovali. Problém je v jistém nesouladu mezi mikrosvětem a makrosvětem. Dnes je možné přesně popsat jen chování atomů v mikroskopickém měřítku. Na ČVUT si tak například na své pokusy vědci vybrali materiály, o kterých předpokládali, že by díky své atomové struktuře po sobě mohly dobře „klouzat“. Na tyto odhady lze ovšem spoléhat pouze do určité míry. V makroskopickém měřítku totiž hraje roli více faktorů, z nichž řada je navíc těžko předvídatelných. S pomocí měření mohou vědci celkem dobře určit, co se ve vzorku děje, ale výsledky simulací často reálným experimentům neodpovídají. Právě to by mezinárodní skupina působící na katedře řídicí techniky FEL ČVUT chtěla změnit. Cílem je vytvořit mnohem spolehlivější a přesnější simulaci, která by už dokázala spolehlivě předpovídat, jak velký odpor při setkání dvou 2D materiálů vznikne.
Najít ty nejlepší
Není těžké si představit, že takový výsledek by byl velmi praktický. „Dvourozměrných“ materiálů ovšem existují stovky, vyzkoušet všechny jejich kombinace za různých podmínek (například teplot) není reálné. Simulace jsou podstatně rychlejší a levnější. Díky nim by tak bylo možné vytipovat zajímavá tuhá maziva pro různá prostředí či aplikace a pak v laboratoři reálně vyzkoušet pouze nejslibnější kombinace. V nedávném měření, jehož výsledky byly zveřejněny v časopise Nature Materials, skupina z FEL naměřila zatím nejnižší součinitele odporu vůbec. Při zkouškách jedné kombinace dvou 2D materiálů se dostal na hodnoty kolem jedné miliontiny. Pro srovnání, běžně se při tření dvou pevných materiálů (třeba oceli či keramiky) pohybuje kolem několika desetin, zhruba od 0,5 výše. Když přejedete rukou po stole, může to být i kolem 1,0, záleží na řadě faktorů. S kapalnými lubrikanty lze samozřejmě dosáhnout hodnot součinitele tření výrazně nižších, řádově setin, tedy 0,01. V praxi bude samozřejmě těžké přiblížit se hodnotám z laboratoře, a to již proto, že reálně se po sobě nikdy neposouvají dvě na atomární úrovni dokonale rovné plochy. Úspěchem by bylo již dosažení hodnot kolem jedné tisíciny, která je označována za hranici superlubricity. I kdyby se je podařilo do praxe nasadit, nepůjde o materiál pro každou příležitost. V řadě využití nebude dávat smysl, protože úspory dané snížením tření prostě nebudou stát za to. Takto výkonný tuhý lubrikant by se však mohl používat v případech, pro které se tekuté nehodí. Například by bylo možné postavit nezapouzdřený kloub, pokud by to konstrukce z nějakého důvodu vyžadovala. Menší tření by také snížilo množství vznikajícího odpadního tepla. Kdyby se jeho množství podařilo snížit výrazně, některé součástky či celé stroje by se mohly vyrábět levněji či jednodušeji. Na druhou stranu tekuté lubrikanty mají proti tuhým tu výhodu, že odpadní teplo vznikající při tření dokážou velmi účinně odvádět pryč. V případě tuhých maziv se může přebytečné teplo snadno změnit ve velký problém. Buď se musí jednat o materiály, které dobře zvládnou vysoké teploty, nebo musejí mít extrémně nízké tření, aby odpadního tepla vznikalo minimum. V současnosti se skupina na ČVUT snaží přenést dvourozměrné materiály na ložiskovou kuličku a testovat je v běžných podmínkách. Kdy bychom něco takového mohli vidět i mimo laboratoř, si netroufnou odhadovat. Ani odborníci na tření dopředu nevědí, kdy se něco zadrhne. /jj/
