Efecto del metal de transición en las propiedades tribológicas de MXenes multicapa para lubricación sólida

Abstract

La tribología estudia la fricción, el desgaste y la lubricación, factores clave en la eficiencia y durabilidad de los sistemas. La fricción genera pérdidas energéticas, lo que impulsa la opti- mización de la lubricación y el desarrollo de alternativas sostenibles a los lubricantes líquidos, ya que presentan limitaciones en términos de resistencia al desgaste e impacto ambiental. En este contexto, los MXenes, materiales 2D descubiertos en 2011, son materiales 2D compuestos por capas finas de metal de transición y carbono o nitrógeno, que tienen potencial para ser utilizados como lubricantes sólidos gracias a su resistencia, rigidez y capacidad para formar tribopelículas. Aunque el T i3C2 es el MXene más estudiado, aún falta explorar el potencial tribológico de otras composiciones. En base a lo anterior, esta investigación se enfoca en estudiar el comportamiento tribo- lógico de recubrimientos de MXenes de Ti, Mo, V y Nb, con el mismo espesor y fabricados con la misma técnica de deposición (spray-coating) para generar condiciones comparables. Se fabrican recubrimientos con espesores entre 100 y 700 nm para V2C y N b2C, y entre 120 y 250 nm para T i3C2, M o2T iC2 y M o2T i2C3. Luego, se someten a pruebas tribológicas para medir fricción y desgaste bajo cargas normales de 0.1, 0.2, 0.4 y 0.8 N. Los resultados demostraron que los MXenes T i3C2, M o2T iC2 y M o2T i2C3 presentan un excelente desem- peño como lubricantes sólidos, evidenciado por bajos coeficientes de fricción (COF) y una alta resistencia al desgaste. Estos materiales destacaron particularmente en recubrimientos con espesores menores a 150 nm. En contraste, los MXenes V2C y N b2C mostraron valores más altos de COF y desgaste, lo que indica la influencia de la composición química en el desempeño de los recubrimientos. Esta investigación concluye que los MXenes M o2T iC2 y M o2T i2C3 son los más promete- dores para aplicaciones de lubricación sólida, debido a su bajo COF y su elevada resistencia al desgaste, lo que se asocia a la mayor número de capas. En particular, M o2T iC2 destaca por su excelente rendimiento, atribuido a la formación de una tribopelícula en la pista de desgaste. En contraste, los MXenes V2C y N b2C demostraron un desempeño insuficiente para considerarse adecuados en aplicaciones de lubricación sólida. Además de contribuir al entendimiento de las propiedades tribológicas de los MXenes, este estudio presenta por primera vez una comparación directa entre los materiales analizados, posicionando a los MXenes de molibdeno por encima de T i3C2 en términos de rendimiento tribológico en lubricación sólida.