Mianem nanotechnologii określa się ogólnie cały zakres technik, dzięki którym możliwe jest wykonywanie struktur lub cząsteczek o wielkościach nanometrycznych, czyli o wymiarach miliard razy mniejszych od milimetra. Granice wymiarowe struktur nanometrycznych określane są ogólnie w przedziale od 1,5 do 100 nm, czyli do 0,1 μm.

Milimetrowy silnik
Za początek nanotechnologii przyjmuje się połowę XX wieku, kiedy Richard Feynman wygłosił wykład, podczas którego próbował uzmysłowić słuchaczom skalę problemu polegającego na zmieszczeniu 24-tomowej encyklopedii na łebku od szpilki. Dlaczego przytoczony został wykład noblisty z fizyki?
Otóż, Feynman ustanowił wtedy dwie nagrody. Pierwsza z nich była dość mocno związana z techniką, ponieważ dotyczyła skonstruowania silnika, który mógłby się zmieścić w sześcianie o boku o długości 1/64 cala (0,4 mm). Druga, w wysokości 1000 dolarów, została ufundowana za zmniejszenie strony dowolnej książki 25 tysięcy razy. Według Feynmana wykonanie któregokolwiek zadania wiązało się ze znacznym postępem technologicznym. Na wypłacenie pierwszej nagrody nie musiał on jednak długo czekać, ponieważ inżynier William McLellan już w 1960 roku wykonał silnik elektryczny mieszczący się wyznaczonych przez fundatora nagrody granicach wymiarowych. Silnik ów miał 1 mW mocy (0,001 W) i ważył 250 μg (0,25 g).
Na wręczenie drugiej nagrody trzeba było czekać aż do 1985 roku, kiedy możliwe stało się kierowanie wiązkami elektronów, którymi wypalona została jedna strona książki w zakładanych przez Feynmana wymiarach. Kolejne lata przyniosły prawdziwy rozkwit technik pozwalających na znaczną miniaturyzację. Największy rozwój tych technik można zauważyć w medycynie, ponieważ dzięki nanotechnologii można tworzyć leki przenikające głębiej i szybciej wewnątrz komórek.

Nanocząsteczki w motoryzacji
Jak każda dziedzina, tak i motoryzacja nie musiała czekać długo na pierwsze zastosowanie nowoczesnych technologii poprawiających właściwości stosowanych już materiałów. Największy nacisk od razu położono na oleje silnikowe, ponieważ w tym zakresie zauważono największy potencjał, jaki oferuje nanotechnologia. Jednymi z pierwszych preparatów, jakie były dodawane do olejów w celu polepszenia ich właściwości, był dwusiarczek molibdenu (MoS2).
Charakteryzuje się on bardzo niską siłą przyciągania międzycząsteczkowego, co powoduje znaczne obniżenie tarcia wewnętrznego, jakie zachodzi w oleju. Dodatkowo cząsteczki te wnikają w mikrorysy powstające podczas obróbki powierzchni metalowych, wypełniając je, co wpływa na zmniejszenie tarcia współpracujących ze sobą elementów. Ogólną cechą nanocząsteczek jest to, że nie łączą się one w skupiska i tworzą w oleju zawiesinę, która nie jest wyłapywana przez filtr i nie odkłada się w kanałach olejowych. Wadą dwusiarczku molibdenu jest natomiast jego rozpad w temperaturze 500°C, co może mieć miejsce na przykład w momencie narażenia filmu olejowego na działanie płomienia podczas spalania paliwa w cylindrze. Po przekroczeniu tej temperatury cząsteczki utleniają się, tworząc trójtlenek molibdenu.
Kolejnym związkiem z dziedziny nanotechnologii jest dwusiarczek wolframu (WS2), który jest znacznie bardziej wytrzymały na działanie wysokich temperatur. Jego degradacja następuje dopiero w temperaturze 1250°C. Związek ten w postaci nanocząsteczek (zawiesina w bazie olejowej) jest składnikiem dodatków do olejów silnikowych i przekładniowych. Zawiesina ta zwana jest nanoolejem fulerenowym, dzięki któremu - podobnie jak w przypadku dwusiarczku molibdenu - uzyskać można znaczną redukcję tarcia.

Nie tylko olej
Nanocząsteczki stosowane są nie tylko w olejach silnikowych i przekładniowych. Kolejnym miejscem, gdzie znaczące jest obniżenie tarcia jest na przykład powierzchnia szyby samochodowej. Płyny do spryskiwaczy zawierające nanocząsteczki charakteryzują się tą samą właściwością, co oleje z nanocząsteczkami. Sprawiają, że zawarte w nich mikrodrobinki wnikają w rysy szyby, powodując ich wypełnianie. W przypadku szyb czołowych samochodów stosuje się także zabieg hydrofobizacji, który polega na naniesieniu na szybę (na sucho) warstwy płynu zawierającego nanocząsteczki, dzięki którym woda deszczowa nie rozpływa się po szybie, tylko skupia w kroplach. Takie zachowanie wody podczas jazdy znacznie poprawia widoczność, ponieważ krople pod wpływem przepływu powietrza przemieszczają się poza szybę.
Na rynku pojawiły się także płyny do chłodnic, które – dzięki nanocząsteczkom – pozwalają na skuteczniejsze chłodzenie silnika. Mają one zastosowanie w silnikach bardzo obciążonych, gdzie szczególną wagę przykłada się do skuteczności odbierania temperatury. Cząsteczki zawieszone w płynie skuteczniej odbierają ciepło z elementów metalowych korpusu oraz głowicy silnika i wraz z płynem są transportowane do chłodnicy, gdzie ją oddają.
Ostatnim zastosowaniem nanotechnologii są wszelakie preparaty do pielęgnacji nadwozia. Ich działanie – podobnie jak wcześniejszych – skupia się na wypełnianiu mikroskopijnych rys w lakierze powstałych przez jego regularną pielęgnację. Generalnym zadaniem nanocząsteczek zawartych w produktach chemicznych jest zmniejszenie tarcia i poprawa współpracy między elementami. Jest to spowodowane wypełnianiem mikroskopijnych zarysowań cząsteczkami zmniejszającymi tarcie. Oprócz samego zmniejszenia tarcia, cząsteczki te wyrównują powierzchnię, ułatwiając przesuwanie się po niej innych elementów, takich jak tłoki, pierścienie czy nawet wycieraczki.
Jedynym wyjątkiem jest zabieg hydrofobizacji, który – oprócz wypełnienia nierówności szyby – tworzy na niej warstwę zmniejszającą przyczepność wody. W okresie zimowym szyba z taką powłoką jest także mniej podatna na oblodzenia i narost szronu, a jeśli nawet to nastąpi, to usunięcie go jest znacznie łatwiejsze.
Z pewnością w najbliższym czasie nanocząsteczki będą dostępne jako dodatki do paliwa, aby zmniejszyć tarcie w elementach układu paliwowego. Pamiętać należy o tym, że im mniej energii zużyte zostanie na tarcie między elementami w samochodzie, tym więcej jej będzie można wykorzystać do jazdy lub oszczędności paliwa.

Maciej Blum
Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

W jaki sposób nanotechnologia może pomóc w użytkowaniu samochodu?
tel. 71 78 23 190
e-mail: [email zakodowany]

fot. NordGlass