Smeren met uien; Israëlische ontdekkingen verminderen wrijving

Wanneer een motor gestart wordt, duurt het even voor het smeermiddel tussen de zuiger en de cilinderwand is gekropen. Door de zo ontstane wrijving worden de onderdelen warm, hetgeen slijtage in de hand werkt en zelfs tot metaalmoeheid kan leiden. Dat alles heeft op den duur het voortijdig falen van onderdelen tot gevolg.

Een slimme vinding van het Israëlische bedrijf Surface Technologies, dat verbonden is aan het technologische instituut Technion, kan die funeste wrijving met zo'n 20% verminderen. Met behulp van een speciale laser worden namelijk talloze kleine gaatjes geboord in de oppervlakken, die langs elkaar heen moeten gaan bewegen. Als hierop een smeermiddel wordt aangebracht, zal het voor een deel in de gaatjes trekken ten gevolge van de capillaire werking. Deze fungeren daardoor als kleine reservoirs en smeren zo continu de langs elkaar glijdende oppervlakken. Bovendien neemt door de aanwezigheid van de gaatjes ook het effectieve contactoppervlak af. Beide effecten hebben een zodanige vermindering van de slijtage tot gevolg, dat in plaats van bijvoorbeeld keramiek veel goedkopere materialen als aluminium kunnen worden gebruikt. Dat zal zeker gevolgen hebben binnen de automobiel- en vliegtuigindustrie, en natuurlijk ook meer in het algemeen voor het ontwerp en de prestaties van zuigers, pompen, tandwielen en allerlei andere mechanische onderdelen.

Onder bepaalde omstandigheden kunnen vloeibare smeermiddelen echter helemaal niet toegepast worden, zoals in vacuüm, of bij extreem hoge of extreem lage temperaturen. Dan worden vaste smeermiddelen als grafiet gebruikt, of meer exotische stoffen als molybdeen- of wolfraamsulfide (WS). Deze hebben als gemeenschappelijk kenmerk dat ze in één richting bijzonder zwak zijn: ze bestaan uit lagen die heel gemakkelijk over elkaar heen kunnen schuiven, zoals de S-W-S sandwiches in wolfraamsulfide, of de koolstofvlakken in grafiet. Dat die lagen zo los op elkaar liggen wordt direct duidelijk wanneer je wat grafiet tussen je vingers wrijft: niet voor niets wordt het al heel lang gebruikt om mee te schrijven. Een nadeel van deze materialen is dat hun wrijvingseigenschappen sterk afhankelijk zijn van de omgeving waarin ze verkeren. Want waar de lagen op elkaar liggen hebben de atomen aan alle kanten buren, maar aan de buitenkant en aan de randen van bijvoorbeeld scheuren, zijn er zogenaamde dangling bonds. Dit soort 'loshangende bindingen' zijn chemisch heel actief en reageren snel met water of zuurstof uit de lucht, waarbij oxides worden gevormd. En die zijn er de oorzaak van dat de wrijvingscoëfficiënt van WS toeneemt met een factor vijf wanneer de luchtvochtigheid groter wordt. Grafiet daarentegen heeft juist weer een beetje geadsorbeerd water nodig om goed te 'glijden'.

Onderzoekers van het Weizmann-instituut in Israël ontdekten in 1992 dat onder bepaalde omstandigheden uit dunne wolfraamsulfide-films kleine, uivormige structuren kunnen worden gevormd. Deze 'bolletjes in bolletjes' - in grootte variërend tussen de tien en honderd nanometer - bleken grote overeenkomsten te vertonen met de fullerenen, de van buckybal afgeleide koolstofbollen. Omdat ze in zichzelf gesloten zijn, hebben ze geen loshangende bindingen. Maar ze beschikken ook niet meer over lagen die langs elkaar heen kunnen schuiven. Toch werd vanaf het allereerste moment ook aan het buckybal een ongekende smerende werking toegedacht, maar dat bleek in de praktijk wat tegen te vallen. Inmiddels is duidelijk geworden dat de wat grotere metaalsulfidebollen het heel wat beter doen (Nature, 19 juni 1997). Hun wrijvingscoëfficiënt is namelijk zelfs een stuk lager dan die van de corresponderende gelaagde structuren, waardoor er ook veel minder slijtage optreedt. Doordat de bolletjes zo klein zijn, kunnen ze alle hoeken en gaatjes op een oppervlak vullen en dat zo als het ware 'afvlakken'. Ze zijn bovendien elastisch en rollen tijdens het bewegen van de onderdelen mee - een soort kogellager op sub-micron niveau. Tenslotte kunnen ze een stootje hebben, en zijn er altijd nieuwe lagen beschikbaar, wanneer de buitenste onder de al te grote druk mochten sneuvelen. Het is nu alleen nog zaak om de bolletjes in grote hoeveelheden te synthetiseren zodat ze vervolgens ook in de praktijk kunnen worden getest.