Molübdeendisulfiid

Molübdeendisulfiid on anorgaaniline ühend, mille keemiline valem on MoS₂. Molübdeendisulfiid on hõbemust tahke aine, mida leidub looduses kõige tihedamini molübdeniidi näol. 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

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.

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.

Struktuur

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

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.

Keemilised omadused

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

Molübdeniit

Saamine

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

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.

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

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

Transistorid

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.

Kullaaatomitega rikastamine

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.

Biosensorid

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.

Memristorid

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.

Fotoelemendid

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.