Nano-Reibung unter AFM-Lupe

  • 16. May 2013

„Desorptionshaftung“ erklärt warum einzelne Polymermoleküle auf bestimmten Oberflächen haften oder gleiten.

Reibung ist ein allgegenwärtiges aber oft lästiges physikalisches Phänomen: Sie verursacht Verschleiß und Energieverlust sowohl in Motoren als auch in unseren Gelenken. Auf der Suche nach reibungsarmen Komponenten für immer kleiner werdende Bauteile entdeckten Physiker um Thorsten Hugel und Alexander Holleitner nun eine bisher unbekannte Art der Reibung, die „Desorptionshaftung“.

Abb.: Eine AFM-Spitze zieht die Polymerkette über die Oberfläche. (Bild: B. Balzer, TUM)

Abb.: Eine AFM-Spitze zieht die Polymerkette über die Oberfläche. (Bild: B. Balzer, TUM)


In verschiedenen Lösungsmitteln untersuchten die Forscher wie und warum einzelne Polymermoleküle auf bestimmten Oberflächen haften oder gleiten. Ihr Ziel war es, grundlegende physikalische Gesetzmäßigkeiten auf der molekularen Skala zu verstehen, um gezielt reibungsmindernde Oberflächen und passende Schmiermittel entwickeln zu können.

Für ihre Studien befestigten die Wissenschaftler das Ende eines Polymermoleküls an der Nanometer feinen Spitze eines hochempfindlichen Rasterkraftmikroskops (AFM). Während sie es über die Testoberflächen zogen, maß das AFM die daraus resultierenden Kräfte. Aus diesen konnten die Forscher direkt das Verhalten des Polymerknäuels ableiten.

Neben den beiden erwarteten Reibungsmechanismen Haften und Gleiten trat bei bestimmten Kombinationen von Polymer, Lösungsmittel und Oberfläche ein dritter Mechanismus auf. „Das Polymer haftet dabei zwar an der Oberfläche, aber der Polymerstrang kann ohne nennenswerte Kraft aus dem Knäuel in die umgebende Lösung gezogen werden“, beschreibt der Experimentalphysiker Thorsten Hugel dieses Verhalten. „Die Ursache ist vermutlich eine sehr geringe interne Reibung innerhalb des Polymerknäuels“.

Erstaunlicherweise hängt die Desorptionshaftreibung weder von der Geschwindigkeit, noch von der Auflagefläche des Polymers oder von der Haftkraft des Polymers ab. Entscheidend sind stattdessen vor allem die chemische Natur der Oberfläche und die Qualität des Lösungsmittels. So zeigt zum Beispiel das hydrophobe Polystyrol, in einem guten Lösungsmittel wie Chloroform gelöst, ein reines Gleitverhalten, in Wasser aber Desorptionshaftung.

„Das durch unsere Messungen der Einzelmolekülreibung gewonnene Verständnis eröffnet neue Wege zur Reibungsminimierung“, sagt Alexander Holleitner. „In Zukunft könnten mit gezielt hergestellten Polymeren neue Oberflächen speziell für den Nano- und Mikrometer-Bereich entwickelt werden“.

TUM / PH

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