阿贡国家实验室：石墨烯，固体润滑剂的有效替代品

任何曾经开车换过油的人，都明白减少汽车各部件间摩擦的重要性。美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的研究人员多年来一直致力于用石墨烯等固体润滑剂替代石油，以减少零件间的摩擦。石墨烯是一种成本更低、效果更好的润滑剂替代品，其使用寿命也更长。

      阿贡国家实验室指导研究和研发项(LDRD)目给了他们实验所需的种子资金，最初对研究员Anirudha Sumant和Ali Erdemir的工作进行了资助。

      石墨烯也可以用来更好地保护球轴承。我们知道：当轴承暴露于水中时，随着时间推移轴承表面会发生腐蚀。这一过程通常被称为摩擦腐蚀。阿贡实验室基于石墨烯的研究结果表明：由于添加了若干层石墨烯，不仅钢与钢之间摩擦值减少了7倍、磨损量减少了10000倍，同时还显著缓解了摩擦腐蚀问题。

      通过制造出石墨烯封装的钻石滚珠轴承，或者“卷轴”，Sumant的团队找到了一种将纳米级的超润滑性转化为宏观现象的方法。

      “与其他现有固体润滑剂涂层相比，这是一项重大改进。”Sumant说道。“而且所需石墨烯数量非常少。因此，成本要低得多。另外一个极大的附加收益就是：由于消除了石油浪费，相对来说会更加环保。”

      Sumant及其同事的研究工作对汽车行业产生了深远影响。它可以帮助风力涡轮机更为有效地运转，从而使其能够产生更多能量。当能源设备从地面或海上泵出石油或天然气时，它还可以更好地对机器进行密封。

      由纳米材料中心的研究员——Sumant领导的阿贡实验室团队，后来又从美国能源部获得了额外的两笔拨款，总额达140万美元。

      正是通过最初的LDRD资助，他们认识到石墨烯是一种新兴的固体润滑剂，而且与目前的油基和其他固体润滑剂（包括石墨润滑剂甚至类金刚石碳）工作方式不同。

      石墨烯不仅性能更好，而且性价比更高。即使是中等质量的石墨烯也非常适合摩擦学应用，但是对各种电子和传感器的应用却并非如此。

      传统固体润滑剂涂层的大部分成本与应用它所需的基础设施有关，包括运行相关机器的电力和机器的维护。石墨烯不是这样，石墨烯可通过在空气中喷洒溶液来施加，并且可涂覆任何的复杂形状或尺寸，同时还可以在较大的表面积上应用。

      为了将他们的发现引进市场，Sumant和他的团队目前正在与两个不同行业的不同公司进行合作。

      第一家是世界领先的机械泵密封件供应商之一。它正与科学家进行合作，试图用石墨烯代替碳化硅密封件。这样的话，可以显著减少零件磨损和摩擦。

      该团队还计划与汽车行业的另一家公司合作，该公司使用模具制造汽车零件，包括门板。阿贡实验室研究人员正在寻求开发一种新型润滑剂，这种润滑剂可以减少金属成型应用中的摩擦，从而降低汽车制造成本。

      阿贡国家实验室的LDRD项目经理Vivian Sullivan表示，石墨烯实验是基础科学如何在实验室之外用于实际手段的一个很好的例子。

      “像这样具有实际应用的发现正是DOE所寻求的，”她说道。“这就是为什么该部门在首轮LDRD资金支持后，又对该项目进行资助的原因。”

      LDRD支持高风险、潜在高价值的研究和开发。它鼓励新颖技术概念的创造，并持续致力于提高国家实验室实力，以实现自身及联邦资助机构的目标。

      “这是实验室不断重振研究的主要方式之一，”阿贡实验室高级科学顾问兼美国能源部科学用户设施办公室纳米材料中心和纳米科技部门主任Supratik Guha这样说道。

      LDRD的项目资金也帮助Sumant和他的团队获得了一个特殊设备——多功能摩擦计，可利于高温阶段研究工作的开展。这有助于研究两个表面间几乎无法估量的摩擦、磨损和力。

      该设备现已在纳米材料中心拥有一块永久性归属地，并将很快向外部用户开放。