Che cos’è la tribologia?
La tribologia è la scienza dell’attrito, dell’usura e della lubrificazione ed è veramente interdisciplinare. Studia l’interazione delle superfici mobili e ogni aspetto relativo all’attrito, all’usura, alla lubrificazione, all’adesione, alla tribochimica, ecc. Le soluzioni di tribologia sono applicate nell’industria automobilistica, cuscinetti, spazio, sport, cibo, salute e biomedica, energie rinnovabili e altri numerosi campi.
Il termine “tribologia” deriva dalla parola greca ‘tribos’ (τρίβοσ) che significa ‘sfregamento’ o strofinare ed è stato inventato nel 1964, mentre l’esplorazione dell’attrito è iniziata bene in passato a volte 50,000 B. C. quando gli esseri umani hanno iniziato ad usarlo per ottenere il fuoco (vedi storia della tribologia). Le civiltà antiche in Egitto e in Cina applicavano principi di lubrificazione per trasportare pietre pesanti utilizzate nei loro giganteschi edifici. Tuttavia, i primi studi sistematici di tribologia furono eseguiti da Leonardo da Vinci-primo tribologo del mondo nel 1490-1500. Si è concentrato su tutti i tipi di attrito e ha fatto una distinzione tra attrito scorrevole e rotolamento.
L’importanza della tribologia aumenta a causa del fatto che le perdite di attrito e usura consumano energia, che altrimenti potrebbero essere salvate. Il professor Jost ha stimato che un investimento minimo (con un rapporto di 1 a 50 rispetto al risultato) nella ricerca e nello sviluppo di migliori pratiche tribologiche potrebbe risparmiare dall ‘1% all’ 1,4% del prodotto nazionale lordo . Oltre agli effetti economici, la tribologia può essere utilizzata per ridurre le emissioni di
aumentando l’efficienza energetica e quindi aiutare a mantenere il nostro pianeta. L’industria dei trasporti è uno dei più grandi consumatori di energia, ma anche fonte di emissione, pur essendo potenzialmente in gran parte ottimizzato utilizzando soluzioni di tribologia all’avanguardia. Le particelle di usura possono essere una fonte di danni meccanici nei cuscinetti, rotture del disco, MEMS, ma sono anche dannose per la salute umana se penetrano dall’atmosfera al corpo umano. I risultati della ricerca tribologica possono quindi essere utilizzati per risolvere importanti problemi della società.
Tribologia verde
Il termine tribologia verde è diventato parte del vocabolario ora. La tribologia verde è una branca della tribologia che si riferisce specificamente al mantenimento di un equilibrio ecologico di qualsiasi potenziale impatto ambientale e biologico delle interazioni tra varie superfici che possono verificarsi tra i materiali. Green tribology lavora per garantire che qualsiasi attrito e usura che si verificano tra i materiali avvenga in modo ecologico. I ricercatori nel campo della tribologia verde stanno anche guardando turbine eoliche, pannelli solari e turbine di marea. Si stanno concentrando sull’essere più rispettosi dell’ambiente e sostenibili in futuro.
La tribologia verde ha tre principi fondamentali volti a garantire un impatto limitato sull’ambiente e sulla salute umana. Questi tre principi sono la biomimetica (che imita i modelli, i sistemi e gli elementi della natura per risolvere problemi umani complessi) e i materiali e le superfici autolubrificanti, le lubrificazioni biodegradabili e rispettose dell’ambiente e le fonti di energia rinnovabili e/o sostenibili.
In particolare, green tribology mira a ridurre al minimo l’attrito, minimizzare l’usura, ridurre e/o eliminare la lubrificazione, creare una lubrificazione naturale, mantenere principi di ingegneria e chimica verdi e monitoraggio in tempo reale dei sistemi tribologici.
La tribologia verde è un concetto abbastanza nuovo; tuttavia, sta già svolgendo un ruolo importante nel garantire che tutti i sistemi industriali siano in grado di funzionare in modo ecologico. Inoltre, i ricercatori stanno esaminando metodi per integrare la tribologia verde e sviluppare sistemi completamente sostenibili in termini di progettazione ingegnerizzata e produzione di energia.
Lubrificazione
Per controllare l’attrito e l’usura vengono utilizzati lubrificanti. I lubrificanti separano le superfici di sfregamento dal contatto diretto creando un film lubrificante. Il film protegge le superfici dall’usura e il lubrificante viene scelto per controllare (principalmente ridurre) l’attrito. Il lubrificante può essere in forma liquida, gassosa, solida o anche una combinazione di essi come nel caso di emulsioni e grassi .
Spesso i lubrificanti sono oli liquidi e generano uno strato di lubrificante molto sottile per separare le superfici di sfregamento. Questo strato è condiviso più facilmente dei solidi e quindi, l’attrito e in molti casi l’usura sono ridotti. La classica teoria della lubrificazione idrodinamica (elasto-)può essere efficacemente utilizzata per prevedere lo spessore del film, ma anche l’attrito generato dal lubrificante e per progettare componenti meccanici. Per i materiali e le condizioni di ingegneria più comuni, l’attrito dello strato è inferiore all’attrito tra i solidi. Oltre a separare le superfici, i lubrificanti liquidi riducono anche l’aumento di temperatura, puliscono le superfici, eliminano i detriti di usura e rigenerano le pellicole protettive. Va notato, tuttavia, che la teoria classica della lubrificazione della riduzione dell’attrito ha raggiunto il suo limite fondamentale (l’attrito di 0,01-0,04) e non può aiutare a ridurre ulteriormente l’attrito. Pertanto, altre teorie devono essere sviluppate.
Superlubricità
Il principale svantaggio del classico approccio di lubrificazione per ridurre l’attrito e l’usura è la dipendenza dallo sviluppo di un film di lubrificante sufficientemente spesso per separare le superfici dal contatto diretto. Sfortunatamente, lo spessore del film è in gran parte determinato dalla viscosità del lubrificante. Per separare due superfici microscopicamente ruvide dal contatto, è necessario un film di lubrificante più spesso del livello della rugosità, quindi la viscosità deve essere abbastanza alta. Maggiore viscosità significa maggiore forza di attrito è sviluppato dal lubrificante sulle superfici dei solidi e si traduce in maggiori perdite di energia. Come accennato in precedenza, questo porta il limite fondamentale all’applicazione dell’approccio di lubrificazione idrodinamica.
Superlubricità è un termine recentemente inventato in tribologia, che è generalmente definito come lo stato, in cui il coefficiente di attrito è basso. La definizione di “basso” non è del tutto chiara, ma si può presumere inferiore a 0,01-0,001. A causa della generalità della definizione, i meccanismi della superlubricità possono essere di varia natura. Su scala nanometrica, può verificarsi la superlubricità strutturale, se i reticoli cristallini dei corpi in contatto sono incommensurati. La formazione di nano cuscinetti può anche portare allo stato di superlubricità cambiando l’attrito dallo scorrimento al rotolamento. L’attrito ultra-basso è stato riportato in coppie di acciaio lubrificate con miscela di glicerolo/acqua a causa della generazione di uno strato di idrogeno facilmente condivisibile. Le forze repulsive di Van der Waals hanno dimostrato di essere in grado di portare allo stato di superlubricità tra una punta di AFM dorata e un substrato di Teflon. La realizzazione degli stati superlubri citati richiede in genere condizioni molto speciali, come il vuoto, o materiali, come il grafene, il carbonio simile al diamante, ecc. Pertanto, la traduzione dello stato superlubrico in ambiente macroscale e ordinario è una sfida.