Molübdeendisulfiid

Allikas: Vikipeedia

Molübdeendisulfiid on anorgaaniline ühend, mille keemiline valem on MoS2. Molübdeendisulfiid on hõbemust tahke aine, mida leidub looduses kõige tihedamini molübdeniidi näol.[1] Molübdeendisulfiid on suhteliselt vähereaktiivne. Lahjendatud happed ja hapnik seda praktiliselt ei mõjuta. MoS2 on paljuski võrreldav grafiidiga. Seda kasutatakse nii tahke määrdeainega kui ka lisandina mootori- ja muudes õlides selle heade hõõrdeomaduste tõttu.

Molübdeendisulfiidi tihedus on 5,06 g/cm3 ja sulamistemperatuur 1185 °C. MoS2 molaarmass on 160 g/mol. Vees on see lahustumatu.

Kahedimensiooniline ja üksikutest kihtidest koosnev MoS2 on pooljuht.

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Molübdeen avastati 18. sajandi lõpus, kuid seda sisaldavat mineraali, molübdeniiti, on kasutatud juba sajandeid. Seda on leitud näiteks 14. sajandi Jaapanis valmistatud mõõkades. Esimest korda tuvastas teaduslikult molübdeeni Rootsi teadlane Carl Wilhelm Scheele 1778. aastal. 1782 sai Peter Jacob Hjelm molübdeenoksiidist kätte tumeda metalse pulbri ja nimetas selle molübdeeniks. 19. sajandi jooksul tunti molübdeeni vastu palju huvi ning sajandi lõpuks leiti, et seda saab kasutada volframi alternatiivina paljudes terassulamites, sest molübdeeni tihedus on volframi omast poole väiksem.[2]

Molübdeendisulfiid esineb patendiraamatutes esimest korda 1927. aastal, kui arutati selle kokkusegamist talgi, grafiidi ja muude materjalidega. 1934. aastal esitati patent MoS2 kasutamiseks lisandina määrdeõlides ja rasvades. 1939. aastal esitati patent tahke määrdeaine jaoks. Kuigi molübdeensulfiidi triboloogilisi omadusi oli teatud juba aastakümneid, hakati seda kui määrdeainet uurima lähemalt alles 1940ndatel.[3]

Struktuur[muuda | muuda lähteteksti]

MoS2 struktuur on heksagonaalne ja kristalliline. Ta koosneb molübdeenist, mis on kahe väävlikihi vahel nõrkade Van der Waalsi jõududega seotud. Nõrk tõmbejõud kihtide vahel lubab kihte väga väikese rakendatud jõu mõjul libistada, mis annab MoS2-le head määrdeomadused.

Füüsikalised omadused[muuda | muuda lähteteksti]

MoS2-l on väike hõõrdetegur, mis on põhjustatud peamiselt nõrkadest van der Waalsi jõududest sulfiidikihtide vahel. Niiskus ja õhk vähendavad tahke MoS2 määrdeomadusi, kuna need läbivad ainekihte ning tugevdavad tõmbejõude. MoS2 on seetõttu kasutuses just kosmosetööstuses.[4]

Keemilised omadused[muuda | muuda lähteteksti]

Molübdeensulfiid on suhteliselt vähereaktiivne. Kuni 350 °C õhutemperatuurideni oksüdeerub ta väga aeglaselt. Oksüdatsiooni tulemusel tekib saagisena MoO3 ja SO2. MoS2 on hügroskoopne.[5]

Molübdeniit.

Saamine[muuda | muuda lähteteksti]

Kõige sagedamini saadakse molübdeendisulfiidi mineraalist molübdeniit. Molübdeeni ennast on maakoores vähe, kuid molübdeniit on võrdlemisi levinud ning on lisaks veel kergesti töödeldav. Molübdeniidi aatomstruktuur koosneb väävlikihtide vahel olevatest molübdeenikihtidest. Molübdeensulfiidi on võimalik saada ka peaaegu kõikidest ühenditest, mis peale MoS2 sisaldab ka vesiniksulfiidi või tavalist väävlit.

Kasutamine määrdeainena[muuda | muuda lähteteksti]

MoS2 kasutatakse tihti erinevates segudes ja komposiitides, mis vajavad madalat hõõrdumist. Seda kasutatakse tihti erinevates õlides ja on seejuures väga tähtsaks osaks näiteks lennukimootorite tööea säilitamises. Lisades MoS2 plastikutele moodustab see parema tugevuse ja väiksema hõõrdumisega komposiidi. MoS2 lisatakse ka mõnda tüüpi nailonile ja teflonile.

Peale MoS2 on tuntuimaks tahkeks määrdeaineks grafiit. Grafiit ja MoS2 on määrdeained, mis on küll tahkes faasis, kuid suudavad siiski vähendada hõõrdumist kahe pinna vahel. Tahke määrdeainena kasutatava MoS2 osakeste mõõtmed jäävad üldiselt 1 ja 100 mikromeetri piiresse. MoS2 suudab taluda oksüdeerivas keskkonnas väga stabiilselt kuni 350 °C temperatuure, mis on kõrgem kui õli ja vedelike baasil töötavate määrdeainete taluvustemperatuur.[1]

Niiskuse imendumisel MoS2 nihketugevus suureneb ja grafiidi nihketugevus väheneb, seega on grafiidi määrdeomadused parimad just niisketes ning MoS2 määrdeomadused seevastu õhu- ja niiskusevaestes tingimustes.

Tahkeid määrdeaineid kasutatakse näiteks mootorites ja lukkudes.

Molübdeendisulfiid teaduses[muuda | muuda lähteteksti]

Molübdeendisulfiidi kasutati tahke määrdeainena juba mitu sajandit tagasi. Tihti ajati seda segamini grafeeniga ainete sarnase välimuse ja füüsikaliste omaduste poolest.[3] Tänapäeval pannakse suurt rõhku MoS2 triboloogiliste ja elektrooniliste omaduste uuringutele. MoS2 rakendusi on uuritud nii fotoelektrokeemias kui ka mikroelektroonikas.

Transistorid[muuda | muuda lähteteksti]

MoS2 transistoreid on pakutud ka ränil põhinevate transistorite alternatiiviks. Arvutused näitavad, et MoS2 transistorid kasutaksid kuni 100 000 korda vähem energiat kui ränitransistorid 'välja lülitatud' asendis.[6]

Kullaaatomitega rikastamine[muuda | muuda lähteteksti]

2013. aastal avastati, et MoS2 pinnal ühenduvad väävliaatomid väärismetallidega, sealhulgas kullaga. Leiti, et kullaaatomitega rikastatud MoS2 parandab ühendi elektrilisi omadusi. See teadmine võib aidata kaasa uute ja paremate transistorite, fotodetektorite, sensorite ja soojust juhtivate kilede valmistamisele. [7]

Biosensorid[muuda | muuda lähteteksti]

2014. aastal leiti, et MoS2 pooljuhina töötavad mõne aatomi paksused kihid sobivad biosensoriteks osade omaduste poolest paremini kui seni kasutatud ja uuritud grafeen. See ületab grafeeni tundlikkust ja võimaldab laialdast tööstuslikku tootmist. Tähtsaks näitajaks on MoS2 keelutsooni laius, sest see määrab ära aine elektrijuhtivuse. Pooljuhtidel on keelutsooni laius nullilähedane (kuid mitte 0). MoS2-l on keelutsooni laius pooljuhi kohta suur, mis võimaldab sellel paremini enda elektrijuhtivat olekut muuta ning lisaks takistada erinevaid lekkeid.[8]

Memristorid[muuda | muuda lähteteksti]

2015. aastal leiti, et MoS2 võib olla sobiv materjal memristoride ehk mälutakistite kolmandaks terminaliks. Memristorid on kahekontaktilised seadmed, mille elektritakistus sõltub seda läbinud elektrivoolust ja voolu suunast ning mis voolu puudumisel säilitab oma viimase takistuse. Tavaliselt on memristorides kaks terminali, kuid kolmanda terminali lisamisel loodetakse rajada tee keerulisemate elektroonikaseadmeteni, mis suudavad paremini imiteerida inimese ajus leiduvaid neuroneid.[9]

Fotoelemendid[muuda | muuda lähteteksti]

Teadlased Massachusettsi Tehnoloogiainstituudist (MIT) alustasid 2013. aastal MoS2 kasutavate fotoelementide uurimist. 2015. aastal leiti, et nende katmisel hõbedast nanoosakestega on tulemuseks väga suur fotoluminestsents. See võib tulevikus viia MoS2 kasutamiseni erinevate LED-rakenduste juures.[10]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 "Molybdenum Disulfide (MoS2) Coatings Lubrication Review". EngineersEdge. Kasutatud 06.11.2015. Inglise.
  2. Dexter Johnson. "Solid Film Lubricants: A Practical Guide". Machinery Lubrication, 03.2006. Kasutatud 06.11.2015. Inglise.
  3. 3,0 3,1 W.O. Winer, 1966,Molybdenum Disulfide As A Lubricant: A Review Of The Fundamental Knowledge, University of Michigan, lk 422
  4. Peter J. Blau, 2008, Friction Science and Technology: From Concepts to Applications, Second Edition, CRC Press, lk 252
  5. "Molybdenum Disulfide/Disulphide [Moly, MoS2"]. Dynamic Coatings, Inc.. Kasutatud 06.11.2015. Inglise.
  6. "Material rivaling graphene may one day be mined from rocks". R&D, 03.12.2014. Kasutatud 06.11.2015. Inglise.
  7. "Another breakthrough in replacing silicon in transistors". Kurzweilai, 10.09.2013. Kasutatud 06.11.2015. Inglise.
  8. "Ultrasensitive biosensor from molybdenite semiconductor outshines graphene". R&D, 09.04.2014. Kasutatud 06.11.2015. Inglise.
  9. Dexter Johnson. "Molybdenum Disulfide Could Help Memristors Mimic Neurons". IEEE SPECTRUM, 09.04.2015. Kasutatud 06.11.2015. Inglise.
  10. Dexter Johnson. "Molybdenum Disulfide Sees the Light". IEEE SPECTRUM, 31.03.2015. Kasutatud 06.11.2015. Inglise.