Onderzoekers van onderzoeksinstituut MESA+ van de Universiteit Twente en Forschungszentrum Jülich hebben aangetoond dat je met kunstmatige ‘polymeerborstels’ de wrijving tussen twee oppervlakken sterk kunt verminderen. Ze ontwikkelden een nieuw procedé waarbij de 'polymeerborstels' op een oppervlak een uiterst vloeibaar smeermiddel aantrekken en op zijn plaats houden. De methode is geïnspireerd op de natuur, op de extreem lage wrijving binnen gewrichten. Het onderzoek is gepubliceerd in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.
Overal waar bewegende delen samenkomen, zijn smeermiddelen nodig. Ze voorkomen dat vaste delen rechtstreeks met elkaar in contact komen en zorgen voor een optimale werking van tandwielen, lagers en kleppen. Het ideale smeermiddel moet aan tegengestelde eisen voldoen: het moet zo dun mogelijk zijn – om wrijving te verlagen – maar dik genoeg om in de contactopening te blijven zitten. In de praktijk worden vaak vetten en oliën ingezet.
Kraakbeen
Biologische smering zoals dit gebeurt in gewrichten, verloopt daarentegen veel efficiënter. Aan het kraakbeen aan het eind van botten steken polymeren uit die 'borsteltjes' vormen die een uiterst vloeibare smeermiddel aantrekken en op zijn plaats houden. Veel onderzoekers hebben de afgelopen decennia geprobeerd dit natuurlijke model technisch na te bootsen, maar hadden weinig succes omdat de tentakelachtige polymeren op de tegenover elkaar liggende oppervlakken de neiging hebben verstrikt te raken.
Twee polymeren, twee smeermiddelen
In een onderzoek dat gepubliceerd is door het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications laten wetenschappers van onderzoeksinstituut MESA+ van de Universiteit Twente en Forschungszentrum Jülich zien dat de oplossing ligt bij het gebruik van twee verschillende polymeren en twee smeermiddelen. Een wateroplosbaar polymeer op het ene oppervlak en een waterafstotend polymeer op het andere en één oplosmiddel op water- en één op oliebasis.
90 keer minder wrijving
Eén van de betrokken onderzoekers is dr. Sissi de Beer, die eerst in Jülich werkte en momenteel verbonden is aan de vakgroep Materials Science and Technology of Polymers van de Universiteit Twente. Ze voerde het eerste gedeelte van het onderzoek uit in Jülich, waar ze samen met collega’s simulaties met een supercomputer uitvoerde. Uit deze simulaties kwam naar voren dat de polymeren niet in elkaar verstrikt raken. Vervolgens leverde ze met collega’s van de Universiteit Twente met behulp van een atoomkrachtmicroscoop ook het experimentele bewijs. Het bleek dat de wrijving, in vergelijking met een systeem met één soort polymeer, een factor 90 lager lag.
De Beer legt uit hoe het werkt: “De twee verschillende vloeistoffasen splitsen zich omdat ze elkaar afstoten. Dit houdt de polymeren op hun plaats en voorkomt tegelijkertijd dat ze door het raakvlak heen in de andere borstel verstrikt raken.”
Credits afbeelding: Nolux Media
Toepassingen
Het tweecomponentensmeermiddel is voor vele toepassingen interessant. Denk bijvoorbeeld aan eenvoudige zuigersystemen, zoals injectiespuiten, waarmee heel precies de kleinste hoeveelheden medicijnen kunnen worden toegediend. Het nieuwe procedé zou vooral oplossingen met geringe wrijving kunnen aanreiken in omgevingen waar zich lokaal hoge druk en grote krachten voordoen, bijvoorbeeld in aslagers en scharnieren. Voor het meest gangbare smeermiddel – motorolie – moet nog een alternatief worden gevonden, omdat de polymeerborstels niet bestand zijn tegen hoge temperaturen.
