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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

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