Uno dei metodi più utilizzati per aumentare l’efficienza e la durata dei componenti meccanici è l’utilizzo dei lubrificanti. Le maggior parte dei lubrificanti è liquida (oli) o semisolida (grassi). Questa tipologia di lubrificanti offre vantaggi e svantaggi. In determinate applicazioni risulta essere impossibile o di difficile attuazione l’impiego di lubrificanti liquidi; per cui la riduzione dell’attrito nelle superfici in strisciamento relativo si deve effettuare mediante lubrificanti solidi, sotto forma di rivestimenti. I lubrificanti solidi più comunemente utilizzati sono il solfuro di molibdeno (MoS₂) oppure il nitruro di boro (BN), solo per citarne alcuni tra i tanti presenti. Un altro materiale che presenta interessanti proprietà lubrificanti è il grafene, il cui utilizzo come rivestimento antiattrito è in fase di sperimentazione.
L’utilizzo di lubrificanti solidi permette di risolvere numerosi problemi tecnici che invece sono presenti in quelli liquidi, come il surriscaldamento. Tale aspetto rappresenta una criticità molto forte per tutti quei componenti che fanno della lubrificazione un principio di funzionamento imprescindibile, come i cuscinetti volventi o i riduttori di velocità. Le variabili che influiscono sulla temperatura di esercizio del sistema meccanico sono molteplici, e un eccessivo aumento di tale temperatura porta a una riduzione delle proprietà viscose del lubrificante stesso con la relativa diminuzione delle prestazioni.
Si riscontra un’altra problematica importante legata ai lubrificanti liquidi nelle applicazioni in cui la pressione di esercizio è negativa, come nel settore aerospaziale: operando infatti nello spazio, i lubrificanti liquidi tendono ad evaporare in assenza di atmosfera, creando notevoli problemi.
Anche in campo alimentare, i lubrificanti a base di oli minerali presentano criticità legate a possibili contaminazioni degli alimenti.
Da questi pochi esempi si può quindi capire quanto i lubrificanti solidi, nella fattispecie il grafene, possano rappresentare una soluzione estremamente importante per garantire il corretto funzionamento dei sistemi meccanici.
I lubrificanti solidi vengono di solito applicati depositando uno o più strati di rivestimento sul componente. Focalizzandoci sul grafene, esistono diversi metodi di deposizione e di crescita del grafene sulle superfici. Tali metodi verranno descritti in seguito.
Il grafene
Il grafene è un materiale bidimensionale di recente scoperta e assai peculiare. Fu scoperto nel 2004 da due fisici sovietici, Andrej Gejm e Kostantin Novosëlov, i quali riuscirono a isolare per la prima volta uno strato di grafene. Questa scoperta, perfezionata con lo studio del campo di applicabilità del materiale, valse ai due studiosi il premio Nobel per la fisica nel 2010 in virtù dei loro “pioneristici esperimenti riguardanti il materiale bidimensionale grafene”.
Il grafene è una forma allotropica del carbonio, come il diamante, la grafite, i nanotubi e il fullerene. Questi ultimi tre possono essere ottenuti rispettivamente, sovrapponendo, arrotolando e piegando fogli di grafene.
La più grande peculiarità legata a questo materiale è che esso è formato da un solo strato di atomi di carbonio, che sono legati tra loro a formare degli esagoni regolari con angoli di 120°. Viene classificato anche come materiale bidimensionale (materiale 2D) in quanto il suo spessore (pari alla dimensione di un atomo di carbonio) è trascurabile rispetto alle altre dimensioni. Questa caratteristica è importante dal punto di vista meccanico: infatti permette di coniugare la resistenza tipica del diamante con la flessibilità tipica della plastica.
In virtù della presenza di tre legami covalenti, le proprietà meccaniche del grafene, se paragonate con quelle di altri materiali sono straordinarie: presenta infatti un modulo elastico di circa 2,4 TPa considerando un singolo foglio di grafene [2], un valore molto elevato se confrontato ad esempio con l’acciaio, che presenta un modulo elastico di 210 GPa.
Dal punto di vista tribologico, le proprietà chimico-fisiche di questo materiale sono uniche, in particolare la presenza dell’orbitale libero sp² è fondamentale per la riduzione dell’attrito tra le superfici a contatto. La possibilità di poter formare solo questo debole legame di tipo Van der Walls perpendicolarmente al piano dei legami covalenti rappresenta il più grande punto di forza di questo materiale, perché fa sì che l’attrito sia ridotto, ma questo rappresenta anche il suo punto debole, in quanto pone in luce la criticità della sua debole adesione sulle superfici da proteggere.
