Das Attribut "Wundermaterial" wird gerne inflationär verwendet, auch die Materialklasse der sogenannten "MXene" bekam schon dieses Etikett. Tatsächlich zeigt das zweidimensionale Nanomaterial vielversprechende Eigenschaften etwa für den Einsatz in der Energiespeicherung und vielen anderen Bereichen. Wiener Forscher berichten nun im Fachjournal "ACS Nano", dass "MXene" auch hervorragende Schmierstoffe sind, die extrem haltbar auch unter schwierigsten Bedingungen funktionieren.

Ausgangspunkt der "MXene" (sprich: Maxene) sind sogenannte MAX-Phasen. Dabei handelt es sich um extrem feste, hitzebeständige und gut formbare Materialien, die ein Übergangsmetall (M), ein Hauptgruppenelement (A), meist Aluminium, und entweder Kohlenstoff oder Stickstoff (X) enthalten.

Ultradünne Schichten

Ätzt man mit Flusssäure das Hauptgruppenelement weg, das die Lagen zusammenhält, bleiben "MXene" über, die nur aus einzelnen kristallinen Schichten von Metallatomen und Kohlen- bzw. Stickstoff bestehen. Bei diesen ultradünnen Schichten handelt es sich um einzelne Atomlagen, ohne starke Bindungen nach oben oder unten. Im Elektronenmikroskop sieht das Material aus wie ein aufgefächertes Buch.

Das erste "MXen" wurde vor zehn Jahren von US-Forschern hergestellt, mittlerweile kennt man mehrere Dutzend verschieden zusammengesetzte Vertreter dieser Materialklasse. Diese speziellen Verbindungen bestehen aus einem Übergangsmetall, beispielsweise Titan oder Chrom sowie Kohlenstoff und/oder Stickstoff.

Ermöglicht schnelleres Aufladen

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften bieten sich zahlreiche potenzielle Anwendungen für diese 2D-Nanomaterialien an. So haben etwa im Vorjahr US-Forscher "MXene" entwickelt, die fast so viel Strom speichern können wie Lithium-Ionen-Batterien, aber so schnell geladen werden können wie Kondensatoren.

Philipp Grützmacher und Carsten Gachot von der Tribologie-Gruppe am Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung der Technischen Universität (TU) Wien haben nun mit Kollegen aus Deutschland, den USA und Chile Verschleißfestigkeit und Schmierfähigkeit eines aus Titan und Kohlenstoff zusammengesetzten "MXens" analysiert. Liegen doch die atomar dünnen Schichten des Materials ähnlich wie Papierblätter lose aufeinander und können gegeneinander problemlos verschoben werden.

Sie zeigten, dass sich das Material sehr gut als Festschmierstoff eignet und die Reibung etwa zwischen Stahloberflächen auf ein Sechstel reduziert. Dabei zeichnet sich das Material durch hohe Verschleißbeständigkeit aus: Auch nach 100.000 Bewegungszyklen funktionierte die "MXen"-Schmierschicht noch problemlos.

Damit würde sich das Material perfekt für den Einsatz unter erschwerten Bedingungen eignen, etwa im Weltraum, wo herkömmliches Schmieröl im Vakuum sofort verdampfen würde. Zudem würden "MXene" im Gegensatz zu anderen Dünnschicht-Materialien wie Graphen nicht derart empfindlich auf Feuchtigkeit reagieren, und sie sind sehr hitzebeständig. "Viele Schmiermittel oxidieren bei großer Hitze und verlieren dabei ihre Schmierfähigkeit. MXene hingegen sind viel stabiler, man kann sie sogar in der Stahlindustrie einsetzen, wo mechanisch bewegte Teile schon mal eine Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius erreichen können", erklärte Gachot, der auf das große Interesse der Industrie an diesen Materialien verweist.

Service: Internet: https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01555