Ett bananskal är rena sandpappret i jämförelse:

SUPERHALA YTOR KAN SPARA MILJARDER

Vi har en uppfattning om vad vi tycker är halt.
Men det vi uppfattar som halt är som sandpapper i jämförelse­ med de superhala ytor som svenska forskare tagit fram. Friktionen är näst intill obefintlig. Besparingarna kan däremot bli jättelika.

START superhala ytor

Ett bananskal kan vara oerhört halt. Men i jämförelse med de superhala ytor som svenska forskare tagit fram är bananskalet­ faktiskt rena sandpappret­.

Tvålen i duschen glider iväg och blir sedan helt omöjlig att greppa. Underkylt regn en novemberkväll, minusgrader på natten och inga dubbdäck. Liten friktion. Glashalt.

Men de här ytorna är rena superlimmet i jämförelse med de superhala ytor som tre svenska forskare fått fram.

Friktionen mellan två ytor i deras forskning är den lägsta som någonsin uppmätts, och deras forskningsresultat kan spara miljarder i både energi och materialslitage.

Ju lägre friktion, desto större blir energivinsterna i till exempel ett vindkraftverk, där en låg friktion är en förutsättning för att turbinen ska fungera bra under lång tid. I framtiden kan också nya materialkombinationer göra att bilmotorer förbrukar mindre bränsle när friktionen minskar. De mänskliga vinsterna blir enorma om friktionen minimeras i höftledsimplantat.

Från vänster: Adam Feiler, Lennart Bergström och Mark Rutland.

Från vänster: Adam Feiler, Lennart Bergström och Mark Rutland.

REVOLUTION PÅ FLERA OMRÅDEN
De superhala ytorna kan innebära en smärre revolution på en rad olika områden, enligt kemiforskarna Mark Rutland, Kungliga Tekniska Högskolan, Lennart Bergström, Stockholms universitet, och Adam Feiler, Ytkemiska Institutet.

De tre har hittat den lägsta friktionskoefficienten i världen. Friktionen är så låg att den inte ens går att mäta i ett atomkraftmikroskop, och när Allt Om Vetenskap träffar de tre kemiprofessorerna, uppskattar de den övre gränsen i friktionskofficienten till 0,0003 i sina experiment.

Jämför det med en curlingsten som glider på isen med en friktionskofficient på 0,02, knäskålens biosmörjning med ledvätska som ger en friktion på 0,01 eller en elitåkares skridsko som ger 0,1. En kniv genom smör har en friktionskoefficient på 0,1.

Däcket på en Formel 1-bil har 4,0 i friktionskoefficient, men där är friktionen en absolut nödvändighet.

Atomkraftmikroskop mäter kraften mellan individuella atomer. Men hos de superhala ytor som man nu fått fram går friktionen inte ens att mäta med ett atomkraftmikroskop.

Atomkraftmikroskop mäter kraften mellan individuella atomer. Men hos de superhala ytor som man nu fått fram går friktionen inte ens att mäta med ett atomkraftmikroskop.

GULD OCH TEFLON

När Mark Rutland, Lennart Bergström och Adam Feiler provade att låta en guldpartikel möta en teflonyta i cyklo­hexan, en vätska som liknar bensin, hände det. Ingen friktion. Eller så liten att den inte kunde mätas i ett atomkraftmikroskop, som är det instrument som är tillräckligt känsligt för att mäta kraften mellan molekyler.

Adhesionen, den molekylära attraktion som uppstår mellan två kroppar vid nära kontakt, eliminerades. Det som vanligen inträffar när två ytor är väldigt nära varandra med en vätska emellan är att attraktionen ökar.

Det är det här som i kemin kallas van der Waals-krafter. För vissa material kan van der Waals-krafterna bli repulsiva. Det betyder att de två olika ytorna som är väldigt nära varandra med en vätska emellan stöter bort varandra.

Här valde de tre forskarna material med de repulsiva van der Waals-krafterna som utgångspunkt: det ena materialet har ett lågt brytningsindex och vätskans brytningsindex ligger mitt emellan de olika materialens index.

Teflonet och guldpartikeln stötte bort varandra tack vare cyklohexanet.

– De repulsiva van der Waals-krafterna fungerar ungefär som magnet­lager, säger Lennart Bergström. Ju mer man försöker pressa ihop två magneter, desto mer repellerar de, alltså stöter­ bort varandra.

ATOMKRAFTMIKROSKOP

Forskningen inom tribologin, som vetenskapen om friktion, nötning och smörjning kallas, tog fart ordentligt först efter 1986 då fysikerna Binnig, Quater och Gerber uppfann atomkraftmikroskopet.

Atomkraftmikroskopet har en mätspets som mäter kraften mellan individuella atomer, som i det här fallet både friktion och adhesion mellan ytor och partiklar. Tack vare atomkraftmikroskopet har man kunnat fokusera på vad som händer på en molekylär nivå vid kontaktpunkten mellan två ytor.

Mark Rutland, Lennart Bergström och Adam Feiler fick svar på en rad frågor tack vare experimenten: Hur dras ytorna mot varandra? Hur stark är interaktionen?

Men det viktigaste av allt var att få svar på gåtan med de starka frånstötande, repulsiva, krafterna. Var skulle man hitta repulsiva van der Waals-krafter?

Gåtans lösning började med teflon­, som egentligen är ett varumärke för DuPont-koncernens produkter­ tillverkade­ av polytetrafluoreten, ett plastmaterial med ett väldigt lågt brytningsindex och låg friktions­koefficient.

När teflonet sedan mötte en metall, i det här fallet en guldpartikel, i vätskan cyklohexan blev friktionen så låg att den inte gick att mäta i atomkraftmikroskopet. När de tre forskarna säger­ att den har friktionskoefficient på 0,0003 är det bara en slags övre gräns i en kvalificerad gissning.

Det vanliga vid mätningar med atomkraftmikroskop är att man mäter­ atomers interaktioner och attraktioner­ på en slät yta på bara några nanometer, alltså några miljondels millimeter.

Efter en höftledsoperation kan patienten räkna med 15 till 20 problemfria år innan även denna är försliten. Med lägre friktion i den nya höftleden kan tiden bli mycket längre.

Efter en höftledsoperation kan patienten räkna med 15 till 20 problemfria år innan även denna är försliten. Med lägre friktion i den nya höftleden kan tiden bli mycket längre.

HITTA RÄTT KOMBINATIONER

Här mätte man på en yta av en mikrometer, en tusendels millimeter, på den ojämna guldpartikeln. Attraktion blev repulsion tack vare cyklohexanet.

– Nu har vi bevisat en princip med existerande system, alltså med material som redan finns. Vi har visat att det fungerar och det kommer att revolutionera vårt forskningsfält, säger Mark Rutland.

Men Mark Rutland, Lennart Bergström och Adam Feiler, som nu publicerat forskningsresultaten i American Chemical Societys tidskrift Langmuir, säger att man också kan hitta van der Waals-krafter i andra system i framtiden. Det gäller bara att hitta de rätta materialkombinationerna. Eller som Lennart Bergström säger:

– Teflon och guld-lösningen fanns mitt framför näsan på oss. Jag tror vi kan hitta andra kombinationer som också ger låg friktion. Jag menar, guld är ju rätt dyrt. Materialen finns redan, men vi har inte hittat kombinationerna.Vi har börjat titta på andra system, och kanske vi kan presentera nya idéer redan inom ett år.

Adam Feiler säger att forsknings­resultaten var klara redan­ för några år sedan, men att de inte lyckades­ få dem publicerade.

– Ju mer spännande en idé är, desto mer diskussion blir det, och således

kan det vara svårare att få den publicerad, säger Mark Rutland.

Det är en idé som nu bygger på en bevisad princip som kan användas på en rad olika områden. Det gäller bara att hitta de rätta materialkombinationerna, och här tänker sig de tre forskarna till exempel kullager av metall i en teflonring eller motorkomponenter av kombinationer av keramiska material.

Ett tunt lager is på vägen – och blixthalka som följd. I trafiken är halka ett gissel­. I andra sammanhang kan hala ytor vara till stor nytta.

Ett tunt lager is på vägen – och blixthalka som följd. I trafiken är halka ett gissel­. I andra sammanhang kan hala ytor vara till stor nytta.

EFFEKTIVARE VINDKRAFT

När det gäller vindkraftverk skulle nya typer av keramiska kullager i axeln, som får kraft av propellern och driver den elgenererande turbinen, minska friktionen och göra dem ännu effektivare­.

Bilmotorer skulle bli effektivare med nya värmebeständiga ytbeläggningar som har lika lågt brytningsindex som teflon. Likaså skulle friktionen från avläsaren i en hårddisk minskas om man där använder en ånga av den gas som ger upphov till repulsion.

Ett annat viktigt område är höftleds­implantat. Idag använder man en keramkula i aluminiumoxid mot en styv och stark polymerkopp. Problemet är att dessa implantat på grund av friktion­ och nötning inte håller mer än högst 20 år för en fysiskt aktiv person. Det är dessutom mycket svårt att göra en andra operation, alltså ett andra implantat, och där skulle nya materialkombinationer kunna innebära­ stora mänskliga vinster.

Friktion är en förutsättning för till exempel däck mot asfalt, bromsar, skosulor och papperskopiatorer, men för det mesta är den ett gissel som kostar miljarder i energiförluster och slitage.

De tre svenska forskarna säger att de kan lösa problemen tack vare idéerna om superhala ytor, och halvt på skämt, halvt på allvar säger Mark Rutland:

– Vi har kommit ett steg närmare evighetsmaskinen

Material från
Allt om Vetenskap nr 6/7 2008

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter