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On peut lubrifier une chaîne de vélo avec de l’huile, mais que faire avec un rover martien ou une bande transporteuse chauffée à blanc dans l’industrie sidérurgique ? Des nanomatériaux très spéciaux ont maintenant été étudiés par la TU Wien en collaboration avec des groupes de recherche de Saarbrücken (Allemagne), de l’université Purdue aux États-Unis et de l’université du Chili (Santiago du Chili).

Le MXene

La classe de matériaux des MXenes (prononcez « maxène ») a fait beaucoup de bruit ces dernières années en rapport avec les nouvelles technologies de batteries. Mais il s’avère maintenant qu’ils constituent également un excellent lubrifiant solide, extrêmement durable, qui remplit sa fonction même dans les conditions les plus difficiles.

Tout comme le graphène, un matériau à base de carbone, les MXenes appartiennent à la classe des matériaux dits 2D : leurs propriétés sont essentiellement déterminées par le fait qu’il s’agit de couches ultrafines, de couches monoatomiques, sans liaisons fortes avec la couche supérieure ou inférieure.

« On commence par les phases dites MAX, qui sont des systèmes de couches spéciaux composés de titane, d’aluminium et de carbone », explique le professeur Carsten Gachot, chef du groupe de tribologie à l’Institut de conception technique et de développement de produits de l’Université technique de Vienne. « La manœuvre cruciale consiste à décaper l’aluminium avec de l’acide fluorhydrique ».

Il ne reste alors qu’un empilement de couches atomiquement fines de titane et de carbone, qui reposent librement les unes sur les autres, un peu comme des feuilles de papier. Chaque couche est relativement stable en soi, mais ces couches peuvent facilement être déplacées les unes par rapport aux autres.

Un excellent lubrifiant

Cette capacité des couches atomiques à se déplacer les unes par rapport aux autres fait de ce matériau un excellent lubrifiant sec : sans générer d’abrasion, il permet un glissement à très faible résistance. Le frottement entre les surfaces d’acier a ainsi pu être réduit à un sixième – et avec une résistance à l’usure exceptionnellement élevée : même après 100 000 cycles de mouvement, la couche lubrifiante de MXene fonctionne toujours sans problème.

Ceci est parfait pour une utilisation dans des conditions difficiles : alors que l’huile lubrifiante s’évaporerait immédiatement dans le vide lors de missions spatiales, le MXene sous forme de poudre fine peut également y être utilisé.

« Des choses similaires ont été essayées avec d’autres matériaux en couches minces, comme le graphène ou le disulfure de molybdène », explique Carsten Gachot. « Mais ils réagissent de manière sensible à l’humidité de l’atmosphère. Les molécules d’eau peuvent modifier les forces de liaison entre les différentes couches. Avec les MXenes, en revanche, cela joue un rôle moins important. »

Il résiste à la chaleur

Un autre avantage décisif est la résistance à la chaleur des MXenes : « de nombreux lubrifiants s’oxydent à haute température et perdent leur pouvoir lubrifiant. Les MXenes, en revanche, sont beaucoup plus stables, et peuvent même être utilisés dans l’industrie sidérurgique, où les pièces en mouvement mécanique peuvent parfois atteindre une température de plusieurs centaines de degrés Celsius », explique Gachot.

Ce lubrifiant en poudre a fait l’objet de plusieurs expériences à la TU Wien par le Dr Philipp Grützmacher, du groupe de recherche du professeur Gachot, ainsi qu’à l’université de la Sarre à Sarrebruck et à l’université Purdue aux États-Unis. À l’autre bout du monde, le professeur Andreas Rosenkranz, au Chili, a joué un rôle majeur dans le lancement et la conception de ces travaux.

« Ces matériaux suscitent également déjà un grand intérêt de la part de l’industrie. Nous supposons que ces MXenes pourront bientôt être produits à plus grande échelle », déclare Carsten Gachot. Ce qui permettra de produire un excellent lubrifiant pour plusieurs sortes d’industries comme l’aérospatiale.

Cette recherche a été publiée dans ACS Nano.

Source : Vienna University of Technology
Crédit photo : Rawpixel