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 Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen
09.12.2016 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Wolkenbildung: Wie Feldspat als Gefrierkeim wirkt
09.12.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

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: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie