Our ability to lubricate machine components effectively sets the boundaries for the technologies we can reliably deploy. This is patently clear in fields like wind power, wave and tidal power, and space. These applications face challenges due to low-speed oscillating motions where conventional lubrication methods struggle. By means of ionic material design, we probe these limitations with the objective of enabling progress in key machine technologies towards sustainable development. Our research shows that ionic liquids (ILs), when used as grease additives, can delay lubricant ejection from fretting contacts and provide remarkable lubricity. Nuclear magnetic resonance reveals that the ability of the IL to enact this effect depends on whether it is sequestered with the other grease components (thickener – base oil blend) or is readily available and mobile. Wide angle x-ray scattering shows that when these ionic liquids are subjected to pressures in the GPa range they have similar structural compliance and liquid-to-solid transitions when compared to a conventional PAO synthetic oil, and that these can be modified by changing the structure of the constituent ions. These findings illustrate that the effect of lubricant retention within the contact is linked to the ability of the IL to reach the surfaces and strongly adsorb, and that distinct behaviors under pressure may be achieved by tuning the architecture of the ionic species. We then explore the impact of these effects at the component level in oscillating bearings, using a custom-built frameless bearing test rig. Furthermore, these ILs are shown to have remarkable performance in vacuum environments, reducing wear by multiple orders of magnitude when compared to heritage space lubricants, and offering a pathway towards PFAS-free vacuum lubricants. The unique versatility and potential of these non-halogenated ILs is further highlighted when we then show that it is possible to use carbon capture and biomass products to synthesize ionic lubricants. Overall, it is shown that ionic materials can be leveraged to expand the limits set by our current technology in lubrication practice.

Vår förmåga att effektivt smörja maskinkomponenter sätter gränserna för vilka teknologier vi pålitligt kan implementera. Detta är särskilt tydligt inom områden som vindkraft, våg- och tidvattenkraft samt rymdapplikationer. Dessa tillämp- ningar möter utmaningar på grund av långsamt oscillerande rörelser där konventionella smörjmetoder har begränsad funktionalitet. Genom design av joniska material undersöker vi dessa begränsningar med målsättningen att möjliggöra framsteg inom centrala maskinteknologier för en hållbar utveckling.

Vår forskning visar att jonvätskor (ionic liquids, ILs), när de används som tillsatser i fettsmörjmedel, kan fördröja smörjmedelsutkastning från mikroglidande kontakter och ge anmärkningsvärd smörjförmåga. Kärnmagnetisk resonansspektroskopi avslöjar att jonvätskornas förmåga att ge denna effekt beror på huruvida den binds upp av de andra fettkomponenterna (förtjockningsmedel – basoljeblandning) eller är lättillgänglig och rörlig. Vidvinklad röntgenspridning visar att när dessa jonvätskor utsätts för tryck i GPa-området uppvisar de en distinkt strukturell eftergivlighet och vätske-till-fast övergångar i jämförelse med en konventionell syntetisk PAO-olja, och att dessa egenskaper kan modifieras genom att förändra de ingående jonernas struktur.

Dessa resultat visar att retentionen av smörjmedlet inom kontaktytan är kopplad till jonvätskans förmåga att nå ytorna och starkt adsorberas, samt att unika tryckbeteenden kan uppnås genom att skräddarsy den joniska arkitekturen. Vi undersöker vidare hur dessa effekter påverkar komponentnivån i oscillerande lager med hjälp av en specialbyggd ramlös lagertestrigg. Dessutom visar vi att dessa jonvätskor har enastående prestanda i vakuummiljöer, där de minskar slitage med flera magnituder jämfört med etablerade rymdsmörjmedel, och därmed erbjuder en väg mot PFAS-fria vakuumsmörjmedel.

Den unika mångsidigheten och potentialen hos dessa icke-halogenerade jonvätskorna understryks ytterligare genom att vi demonstrerar möjligheten att syntetisera joniska smörjmedel från koldioxidinfångning och biomassa. Sammantaget visar vår forskning att joniska material kan utnyttjas för att expandera de gränser som sätts av nuvarande smörjteknologi.