Verschwindende Nanoreibung

  • 25. September 2008
Verschwindende Nanoreibung                 

Mikroskopisch kleine Antimonpartikel gleiten auf Graphitoberflächen bisweilen reibungsfrei.

Reibung ist ein Alltagsphänomen, für das es auf molekularer Ebene noch keine zufriedenstellende Erklärung gibt. Zwar hat man intensiv untersucht, welche Kräfte auf die Spitze eines Rasterkraftmikroskops wirken, die sich über die atomaren Unebenheiten einer Oberfläche bewegt, doch der Zusammenhang dieser mikroskopischen Kräfte mit den makroskopischen Reibungskräften blieb unklar. Jetzt haben Forscher winzige Partikel auf einer Graphitoberfläche verschoben und die dabei auftretenden „mesoskopischen“ Reibungskräfte gemessen. Überraschender Weise verschwanden diese Kräfte bisweilen. Vermutlich wurde die Reibung durch Oberflächenverunreinigungen verursacht.

André Schirmeisen von der Universität Münster und seine Kollegen haben extrem reine und atomar hochgradig geordnete Graphitoberflächen mit Antimon bedampft, das sich in Form von submikrometergroßen Partikeln niederschlug. Wie groß die Teilchen waren und wo sie saßen, wurde mit einem Atomkraftmikroskop gemessen. Es zeigte sich, dass sich die inselförmigen Partikel über Flächen von 10000 nm2 bis zu 300000 nm2 erstreckten und somit Millionen von Atomen der Graphitunterlage bedeckten.

Um eines der Teilchen zu verschieben, positionierten die Forscher die Spitze des Rasterkraftmikroskops über dieses und erhöhten die Kraft, mit der die Spitze auf die Unterlage drückte. Dann bewegten sie die Mikroskopspitze etwa einen Mikrometer weit über die Oberfläche und maßen dabei die Kraft, mit der sich das am Graphit klebende Teilchen der Verschiebung widersetzte. Abschließend schauten sie mit dem Rasterkraftmikroskop nach, ob sie das Teilchen tatsächlich verschoben hatten.

In drei Viertel aller Fälle lag die gemessene Reibungskraft FR im Bereich von 10 nN bis 100 nN und nahm linear mit der Auflagefläche des Teilchens zu. Da die Adhäsionskraft FA zwischen Teilchen und Unterlage ebenfalls linear mit der Fläche zunahm, war der Reibungskoeffizient FR/FA unabhängig von der Fläche – so wie im makroskopischen Reibungsgesetz von Amontons, wobei FA durch die Normalkraft ersetzt wird, mit der ein Körper auf die Unterlage drückt.



Abb.: Werden auf einer Graphitoberfläche winzige Inseln aus Antimon mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops verschoben, tritt dabei meist Reibung auf, doch manchmal geht es auch reibungsfrei. (D. Dietzel u. Schirmeisen, Universität Münster)


In einem Viertel aller Fälle ließen sich die Partikel jedoch reibungsfrei verschieben! Wie kann man das erklären? Hatte die Mikroskopspitze das Teilchen von der Unterlage abgehoben? Wohl kaum, da sich die Teilchen nach der Verschiebung mit dem Mikroskop abbilden ließen. Klebte das Teilchen vielleicht auf einer Graphitflocke, die sich praktisch reibungsfrei auf der Graphitoberfläche bewegen konnte? Es gab keine Anzeichen dafür, dass Flocken aus der Oberfläche herausgerissen worden waren.

Eine mögliche Erklärung für die reibungsfreie Verschiebung wäre, dass die Kristallstrukturen des Graphits und des Antimonteilchens inkommensurabel waren. In diesem Fall müssten während der Verschiebung des Teilchens stets ebenso viele Antimonatome Erhebungen in der Graphitoberfläche überwinden wie Mulden durchqueren. Die Energien, die dafür nötig sind bzw. frei werden, würden sich ausgleichen und es träten keine Reibungskräfte auf. Doch wieso bewegen sich dann nicht alle Teilchen reibungsfrei? Zudem haben die Forscher beobachtet, dass bei einigen zunächst reibungsfrei verschiebbaren Teilchen plötzlich doch Reibung auftrat.

Des Rätsels Lösung könnte darin liegen, dass die Reibung durch molekulare Verunreinigungen auf der Graphitoberfläche verursacht wird. Als die Forscher nämlich die Reinheit ihrer Graphitproben noch weiter erhöhten, konnten sie deutlich mehr (etwa 50 %) der Antimonteilchen reibungsfrei verschieben. Bei stärker verunreinigten Oberflächen hingegen trat hingegen fast immer Reibung auf. Demnach setzen sich Fremdmoleküle gleichzeitig in den Mulden der Graphit- und der Antimonoberflächen fest und lassen sie miteinander verhaken. Auf diese Weise verlieren auch inkommensurable, superglatte Oberflächen ihre Fähigkeit, sich reibungsfrei aufeinander zu bewegen.

RAINER SCHARF

Weitere Infos:


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