Damit’s läuft wie geschmiert

  • 18. July 2014

Reibung in einem Schmiermittel auf molekularer Ebene gemessen.

Um Energieverluste durch Reibungskräfte zu vermeiden, setzen Ingenieure auf Schmiermittel. Doch auch innerhalb von Schmier­stoffen gibt es Reibung. Physiker von der Universität des Saarlandes haben ein neues Verfahren entwickelt, um diese Kräfte in Schmier­stoffen auf molekularer Ebene zu messen. Dabei konnten sie den schichtartigen molekularen Aufbau des flüssigen Schmierstoffs deutlicher sehen als mit bisherigen Methoden. Wie die Forscher zeigen, ist die Reibung umso größer, je näher die einzelne molekulare Schicht an der Oberfläche des Materials liegt. Die Industrie könnte dies nutzen, um Reibung gezielt zu steuern.

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Abb.: Typisches Ergebnis einer Kraftmessung an der ionischen Flüssig­keit. Während sich die Mess­spitze der Oberfläche nähert, spürt sie einen Widerstand der zusammen­gedrängten Flüssigkeit. Dabei springt die Mess­spitze von einer molekularen Lage zur nächsten, und zwar umso deutlicher, je näher sie der Ober­fläche kommt. (Bild: Bennewitz, INM)

Um Reibung herabzusetzen, kommen bei vielen technischen Prozessen Schmierstoffe zum Einsatz, zum Beispiel in Form von Ölen oder Graphit. Eine relativ neue Form von Schmierstoffen sind ionische Flüssigkeiten. „Diese Flüssig­keiten sind geschmolzene Salze“, sagt Judith Hoth. Sie halten hohen Druck und hohe Temperaturen aus und verdampfen nicht im Vakuum. „Kommen ionische Flüssigkeiten mit einer elektrisch geladenen Oberfläche in Kontakt, bilden sie Schichten aus“, erklärt die Physikerin. „Die Anzahl der Schichten hängt dabei davon ab, wie stark die Bindung zur Oberfläche ist.“

Wie Reibungskräfte auf diese Schichten wirken, haben Hoth und ihre Kollegen mit einem neuen Verfahren am Raster­kraft­mikroskop untersucht. Bislang kam so ein Mikroskop zum Einsatz, um Reibung zwischen zwei Oberflächen im Schmierstoff zu messen und nicht die Reibung im Schmiermittel selbst. Die Physiker haben bei ihrem Ansatz die Reibung zwischen der Messspitze des Mikroskops und einer Gold­oberfläche gemessen, während sich die Spitze in einer ionischen Flüssigkeit der Oberfläche nähert. Um herauszufinden, welche Reibung dort entsteht, haben die Forscher für jede Schicht die Kräfte gemessen, die senkrecht und seitlich auf die Schicht einwirken. „Mit unserer Methode haben wir die Schicht­struktur stärker gesehen, als dies bislang möglich war“, erklärt Hoth. So konnten die Forscher erstmals die Bildung von zwölf Schichten in der ionischen Flüssigkeit nachweisen. Dabei ist die Reibungskraft in der Schicht, die am nächsten zur Gold­oberfläche ist, mit Abstand am größten. Erst über mehrere Schichten der ionischen Flüssigkeit hinweg entwickelt sich ihre volle Schmierwirkung.

Hoth sieht bedeutende Möglichkeiten für eine industrielle Anwendung der Ergebnisse: „Man könnte die Reibungs­kräfte bei einem solchen Schmiermittel künftig gezielt steuern, indem man je nach Bedarf die Anzahl der Schichten ändert.“

UdS / RK

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