Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Leichtlauf-Lager nach dem Vorbild der Natur

14.05.2014

Die mechanischen Eigenschaften natürlicher Gelenke gelten als unübertroffen. Dank einer speziellen Polymerschicht auf dem Knorpel bewegen sie sich auch bei hohem Druck praktisch reibungsfrei.

Mithilfe von Simulationen auf Jülicher Supercomputern haben Wissenschaftler des Forschungszentrums und der Universität Twente ein neues Verfahren entwickelt, das die biologische Schmierung technisch kopiert und durch den Einsatz zweier verschiedener Arten von Polymeren sogar noch verbessert. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Communications nachzulesen.


Zwei unterschiedliche Polymere an der Kontaktstelle (rechts) verhindern, dass sich die Polymere ineinander verhaken und dadurch abbremsen (links).

Quelle: Nolux media


Dank biologischer Schmierung bewegen sich natürliche Gelenke praktisch reibungsfrei und widerstehen enormen Belastungen. Im Bild: Marathon-Weltrekordläufer Wilson Kipsang (rechts)

Quelle: Tom Page

(CC BY-SA 2.0, https://www.flickr.com/photos/tompagenet/6957645328)

Schmiermittel sind überall gefragt, wo bewegliche Teile aufeinandertreffen. Sie verhindern, dass feste Elemente in direkten Kontakt geraten, und sorgen dafür, dass Getriebe, Lager und Ventile möglichst reibungslos funktionieren. Je nach Anwendung muss der ideale Schmierstoff gegensätzlichen Anforderungen genügen. Einerseits sollte er möglichst dünnflüssig, sein, denn das verringert die Reibung. Andererseits bedarf es einer gewissen Zähflüssigkeit, damit das Schmiermittel nicht aus dem Kontaktspalt dringt. In der Praxis kommen daher häufig Fette und Öle zum Einsatz, deren Viskosität sich mit zunehmendem Druck erhöht.

Die biologische Schmierung arbeitet dagegen viel effizienter. In den Gelenken beugt eine dünnflüssige, wässrige Lösung Reibungsverlusten vor. Damit der dünne Film an Ort und Stelle verbleibt, bedient sich die Natur eines Tricks. Auf den mit Knorpel überzogenen Knochenenden ist eine Polymerschicht verankert. Bei den Polymeren handelt es sich um dicht nebeneinander liegende, langkettige Moleküle. Sie stehen vom Knorpel ab und bilden sogenannte Polymerbürsten, die das extrem fließfähige Schmiermittel anziehen und es an der Kontaktstelle halten.

In den letzten 20 Jahren gab es zahlreiche Versuche, das natürliche Vorbild technisch zu kopieren. Doch der durchschlagende Erfolg blieb aus. Die tentakelförmigen Polymere auf gegenüberliegenden Seiten tendieren dazu, sich ineinander zu verhaken. Dadurch bremsen sie sich gegenseitig und lösen sich von der Oberfläche. In technischen Systemen sind die herausgerissenen, einzelnen Polymere nur schwer zu ersetzen, da diese nicht die gleichen Selbstheilungsmechanismen besitzen wie ein natürlicher Organismus.

Mit zwei unterschiedlichen Polymeren an der Kontaktstelle, so die Idee des Jülicher Physikers Prof. Martin Müser, lässt sich das Verknäueln der Polymere dagegen unterbinden. „Wir haben auf Supercomputern simuliert, was passiert, wenn wir auf der einen Seite wasserlösliche Polymere und auf der anderen Seite wasserabweisende Polymere anbringen“, erläutert der Leiter der NIC-Arbeitsgruppe „Computational Materials Physics“ am Jülich Supercomputing Centre (JSC). „Mit einer Kombination aus einer wässrigen und einer öligen Flüssigkeit als Schmierstoff ließ sich die Reibung um zwei Größenordnungen, etwa um den Faktor 90, herabsetzen gegenüber einem System mit nur einer Art von Polymeren.“

Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop an der niederländischen Universität Twente bestätigten die Ergebnisse. „Die beiden unterschiedlichen Phasen der Flüssigkeit trennen sich, weil sie sich gegenseitig abstoßen. Das hält gleichzeitig die Polymere zurück und verhindert, dass sie über die Grenze ragen“, erläutert Dr. Sissi de Beer, die kürzlich von Müsers Arbeitsgruppe an die Universität in Twente wechselte.

Die reibungsarme Zwei-Komponenten-Schmierung ist für zahlreiche Einsatzzwecke interessant. Ein Beispiel sind extrem leichtgängige Kolbensysteme, etwa Spritzen, mit denen sich noch kleinste Mengen an Medikamenten präzise dosieren lassen. Vor allen Dingen aber könnte das neue Verfahren dort zu reibungsarmen Lösungen führen, wo lokal hohe Drücke und Kräfte auftreten, beispielsweise für Achsenlager und Scharniere. Für den am weitesten verbreiteten Schmierstoff – Motoröl – stellt es in absehbarer Zeit aber keine Alternative dar, denn gängige Polymerbürsten können den hohen Temperaturen nicht widerstehen.

Originalpublikation:
Sissi de Beer, Edit Kutnyanszky, Peter M. Schön, G. Julius Vancso, Martin H. Müser
Solvent induced immiscibility of polymer brushes eliminates dissipation channels
Nature Communications, published online on 14 May 2014, doi 10.1038/ncomms4781

Weitere Informationen:
Jülich Supercomputing Centre (JSC): http://www.fz-juelich.de/ias/jsc
NIC research group Computational Materials Physics: http://www.fz-juelich.de/ias/jsc/cmp

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Martin Müser
Tel. +49 2461 61-9095
email: m.mueser@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Tobias Schlößer
Tel. +49 2461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/portal/DE/Presse/Pressemitteilungen/PM_node.html

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Feinste organische Partikel in der Atmosphäre sind häufiger glasartig als flüssige Öltröpfchen
21.04.2017 | Max-Planck-Institut für Chemie

nachricht Darmflora beeinflusst das Altern
21.04.2017 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Im Focus: Tief im Inneren von M87

Die Galaxie M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen im Zentrum. Ihr leuchtkräftiger Jet dominiert das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom MPIfR Bonn liefert Hinweise für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente Prozesse und damit neue Erkenntnisse für das Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger...

Im Focus: Deep inside Galaxy M87

The nearby, giant radio galaxy M87 hosts a supermassive black hole (BH) and is well-known for its bright jet dominating the spectrum over ten orders of magnitude in frequency. Due to its proximity, jet prominence, and the large black hole mass, M87 is the best laboratory for investigating the formation, acceleration, and collimation of relativistic jets. A research team led by Silke Britzen from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has found strong indication for turbulent processes connecting the accretion disk and the jet of that galaxy providing insights into the longstanding problem of the origin of astrophysical jets.

Supermassive black holes form some of the most enigmatic phenomena in astrophysics. Their enormous energy output is supposed to be generated by the...

Im Focus: Neu entdeckter Exoplanet könnte bester Kandidat für die Suche nach Leben sein

Supererde in bewohnbarer Zone um aktivitätsschwachen roten Zwergstern gefunden

Ein Exoplanet, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt einen roten Zwergstern umkreist, könnte in naher Zukunft der beste Ort sein, um außerhalb des...

Im Focus: Resistiver Schaltmechanismus aufgeklärt

Sie erlauben energiesparendes Schalten innerhalb von Nanosekunden, und die gespeicherten Informationen bleiben auf Dauer erhalten: ReRAM-Speicher gelten als Hoffnungsträger für die Datenspeicher der Zukunft.

Wie ReRAM-Zellen genau funktionieren, ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Details der ablaufenden chemischen Reaktionen geben den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

Baukultur: Mehr Qualität durch Gestaltungsbeiräte

21.04.2017 | Veranstaltungen

Licht - ein Werkzeug für die Laborbranche

20.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligenter Werkstattwagen unterstützt Mensch in der Produktion

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Forschungszentrum Jülich auf der Hannover Messe 2017

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten