Reibung ist in mechanischen Systemen unvermeidbar und führt jährlich zu großen Energieverlusten. Das verursacht Energieverschwendung, Umweltbelastung und schnelleren Verschleiß von Bauteilen, wodurch die Lebensdauer der Geräte verkürzt wird und Sicherheitsrisiken entstehen.
An der TU Wien wurde ein innovatives Schmiermittel namens COK-47 entwickelt, das durch eine Kombination aus organischer und anorganischer Chemie beeindruckende Eigenschaften besitzt. Daran haben die Forschungsteams von Prof. Carsten Gachot (Tribologie, Maschinenbau) und Prof. Dominik Eder (Chemie) zusammengearbeitet.
Pulver-Schmiermittel für feuchte Umgebungen
Anders als flüssiges Schmieröl ist das Schmiermittel COK-47 pulverförmig. Es besteht aus winzigen, übereinander geschichteten Blättchen – ähnlich einem Stapel Spielkarten im Nano-Maßstab. Bei Kontakt mit Wasser gleiten diese Blättchen leicht aneinander vorbei und bilden einen sogenannten Tribofilm, der die Reibung stark reduziert. Dadurch eignet sich COK-47 besonders gut als Schmiermittel in feuchten Umgebungen.
Das Forschungsteam nutzte metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs), eine moderne Materialklasse. Sie bestehen aus anorganischen Bausteinen, die durch organische Moleküle verknüpft sind. Diese Struktur lässt sich auf atomarer Ebene gezielt anpassen. In der Gruppe von Dominik Eder wurden MOFs bereits für verschiedene Anwendungen eingesetzt, etwa zur Wasserstoffgewinnung durch Photokatalyse oder zur Wasserreinigung.
Metallorganische Gerüstverbindungen bestehen meist aus Metall-Atom-Clustern, die durch organische Moleküle verbunden sind. „Das Material COK-47 hat allerdings eine wichtige Besonderheit“, kommentiert der Chemiker Pablo Ayala. „Die anorganischen Bauteile dieses Materials sind zweidimensionale Blätter aus Titanoxid – und das bestimmt sein Verhalten ganz wesentlich“, erklärt er in einer Pressemitteilung.
Geringere Reibung und höhere Haltbarkeit
Untersuchungen ergaben, dass Wassermoleküle in feuchter Umgebung die Verbindungen zwischen den Titanoxid-Blättchen lösen. Dadurch können die flachen Strukturen leicht aneinander vorbeigleiten und bilden einen „Tribofilm“. Dieser sorgt, etwa zwischen zwei Metallbauteilen, für eine stark reduzierte Reibung.
„Wir haben COK-47 mit anderen Schmiermitteln aus der Klasse der metallorganischen Gerüstverbindungen verglichen, die heute oft eingesetzt werden. COK-47 zeigte dabei einen deutlich niedrigeren Reibungskoeffizienten als die anderen“, kommentiert Hanglin Li, Erstautor der Studie. „Außerdem ist COK-47 verglichen mit anderen 2D-Materialien deutlich haltbarer – auch das ist in der Praxis ein wichtiges Kriterium.“
Diese Entdeckung eröffnet einen neuen Forschungsbereich für Festkörperschmierstoffe. Jetzt arbeitet das Team daran, das Material weiter zu optimieren und an verschiedene praktische Anwendungen anzupassen.
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