Wie sich molekulare Sterne reiben

  • 17. October 2011

Jülicher Physiker berechnen Reibungsverhalten von Makromolekülen.

Reibung ist allgegenwärtig in unserem täglichen Leben, aber oft unerwünscht, weil sie Wärme verursachen und Material verschleißen kann. Die physikalischen Ursachen der verschiedenen Reibungsphänomene sowie der reibungsmindernden Effekte von Schmierstoffen im Detail zu verstehen, ist deshalb ein Ziel der Physik. Wie Reibungsgeschwindigkeit und Kraftaufwand bei einzelnen Makromolekülen in wässriger Lösung zusammenhängen, fanden Jülicher Forscher nun mit Hilfe von numerischen Methoden und Simulationen heraus. Sie sehen darin einen ersten Schritt zu einem besseren Verständnis von Reibungsprozessen, wie sie etwa in menschlichen Gelenken oder Prothesen zu finden sind.

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Abb.: Die Reibung zwischen zwei Makromolekülen zeigt diese Computersimulation Jülicher Physiker. (Bild: FZ Jülich)



Die Physiker vom Institute of Complex Systems untersuchten winzige Knäuel aus mittig verbundenen Polymerschnüren, die sie Sternpolymere nennen. Weil diese leicht in verschiedenen Größen und mit verschiedener Zahl von Polymerarmen herstellbar sind, sind sie ein beliebtes Modellsystem und Kandidat für technische Anwendungen. In Computersimulationen führten die Forscher jeweils zwei identische Sternpolymere eng aneinander vorbei und berechneten die auftretenden Kräfte. Dabei lenkten sie nur die Mitte der Sterne, die Polymerketten blieben frei beweglich.

Bei der Annäherung fanden die Forscher stets eine widerstrebende, abstoßende Kraft, wie zu erwarten, wenn zwei Körper aufeinander treffen. Die Stärke der Abstoßung ist dabei fast unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Sterne zueinander geschoben wurden. Ganz anders wenn man die Sterne auseinander zieht: Bei niedriger Geschwindigkeit maßen die Forscher eine abstoßende Kraft, bei hoher Geschwindigkeit jedoch eine anziehende.

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Abb.: Das Bild zeigt die Deformation eines Sternpolymers während des Reibungsprozesses mit einem zweiten, hier nicht gezeigten, Sternpolymer. (Bild: FZ Jülich)


Die Jülicher Physiker entdeckten die Ursache, indem sie die räumliche Verteilung der Polymerbausteine zu verschiedenen Zeitpunkten während des Reibungsprozesses untersuchten: Die Sternpolymere überlappen kaum, sondern verformen sich im Ganzen, wie weiche homogene Körper.

Bei niedrigen Reibungsgeschwindigkeiten platten sich die Knäuel symmetrisch ab und schieben sich rotierend aneinander vorbei. Bei hoher Geschwindigkeit bleibt den Polymerfäden aber nicht ausrei¬chend Zeit, den Weg frei zu machen. Wie Bugwellen müssen die Sternpolymere jeweils einen Teil des Partnermoleküls vor sich herschieben, so dass auch beim Trennen der beiden Moleküle noch Kraft aufgewandt werden muss und der Eindruck von Anziehung entsteht. Basierend auf ihren Modellen kann das Jülicher Team nun vorhersagen, welcher Kraftaufwand für Reibungsprozesse von Sternpolymeren mit unterschiedlicher Armzahl und bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten nötig ist.

FZ Jülich / PH

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