Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die atomare Oberflächenstruktur beeinflusst die Richtung von Reibungskräften: Neue Studie liegt vor

24.09.2013
Die atomare Oberflächenstruktur hat einen wesentlichen Einfluss auf die Richtung von Reibungskräften. Dies haben Wissenschaftler der Universität Regensburg durch ein besonderes Messverfahren nachweisen können.

Die Ergebnisse der Forscher um Prof. Dr. Franz J. Gießibl vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik sind jetzt, mit Unterstützung eines Teams um Dr. Pavel Jelinek von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag, in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht worden (DOI: 10.1103/Physics.6.102).


A) Die Herausforderung bei der Messung der Richtungsabhängigkeit von Reibungskräften: Eine oszillierende Messspitze bestimmt die Querkräfte zwischen einer atomar scharfen Spitze und einer Siliziumoberfläche. Die Oberflächenatome verbinden sich zu Zweiergruppen, welche sich ähnlich wie Schaukelpferdchen leichter in Längs- als in Querrichtung auslenken lassen. Die „atomaren Schaukelpferdchen“ drehen sich um 90 Grad, wenn man eine atomare Stufe überwindet. Dies erlaubt die präzise Messung der Querkräfte, wobei die Messspitze immer in die gleiche Richtung schwingt.

Abbildung: Universität Regensburg


(B) Vereinfachtes Schema: Der besondere Aufbau der Siliziumoberfläche erlaubt den direkten Vergleich der Reibungskräfte in zwei verschiedene Richtungen.

Abbildung: Universität Regensburg

Schätzungen zufolge wird ein Drittel der gesamten Energie, die auf der Welt verbraucht wird, zur Überwindung von Reibungswiderstand aufgewendet. Vor diesem Hintergrund ist die Erforschung des Phänomens der Reibung von großem Interesse. Dies gilt auch für ihre Richtungsabhängigkeit: Schon beim Streicheln einer Katze stellt man fest, dass die Reibung von der Richtung abhängt – mit dem Strich geht es einfacher als dagegen. Bei der Untersuchung der Richtungsabhängigkeit von Reibung im atomaren Bereich standen Forscher allerdings lange Zeit vor einem Problem. So mussten die Messungen in der Regel mehrmals wiederholt werden, um zu klären, ob die Beobachtungen das Resultat der zu untersuchenden Probe sind, und nicht der Messspitze, die die Probe untersucht.

Die Regensburger Forscher haben deshalb ein besonderes Messverfahren entwickelt. Dabei wird eine Siliziumoberfläche von einer Sonde abgetastet, die sich parallel zur Oberfläche bewegt. Für die mechanische Abtastung der Oberfläche nutzten die Forscher einen speziellen qPlus-Lateralkraftsensor, der auf der Stimmgabel einer Quarzuhr basiert und die Sondenspitze in Schwingungen versetzt. Die Sondenspitze kommt bei diesem Verfahren nicht mit der Oberfläche in Kontakt.

Die Siliziumatome auf der Oberfläche wurden zudem in Pärchen bzw. sogenannten Dimeren auf unterschiedlich hohen Ebenen angeordnet – ähnlich einem Schaukelpferd (vgl. Darstellung A im Anhang). Die „atomaren Schaukelpferdchen“ ließen sich leichter in Längs- als in Querrichtung auslenken, wie von den Regensburger Experimentalphysikern gezeigt und durch Berechnungen der Prager Forscher bestätigt wurde.

Auf diese Weise waren die Wissenschaftler in der Lage, Reibungskräfte in zwei verschiedene Richtungen (parallel und senkrecht zu den „atomaren Schaukelpferdchen“) direkt miteinander zu vergleichen, da sich die Ausrichtung der „atomaren Schaukelpferdchen“ um 90 Grad dreht, wenn die Messspitze auf eine jeweils höhere oder niedrigere Ebene wechselte (Darstellung B im Anhang). Die Forscher stellten so fest, dass die atomare Oberflächenstruktur maßgeblichen Einfluss auf die Richtung der Reibungskräfte hat.

Original-Titel der Publikation:
A.J. Weymouth, D. Meuer, P. Mutombo, T. Wutscher, M. Ondracek, P. Jelinek and F.J. Giessibl: “Atomic Structure Affects the Directional Dependence of Friction”, in “Physical Review Letters” 111, 126103 (2013), (DOI: 10.1103/Physics.6.102).
Der Aufsatz im Internet unter:
http://prl.aps.org/pdf/PRL/v111/i12/e126103
Ansprechpartner für Medienvertreter:
Prof. Dr. Franz J. Gießibl
Universität Regensburg
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Tel.: 0941 943-2105/2106
Franz.Giessibl@physik.uni-regensburg.de
oder
Dr. Jay Weymouth
Universität Regensburg
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Tel.: 0941 943-2105/2113
Jay.Weymouth@physik.uni-regensburg.de

Alexander Schlaak | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-regensburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Wie verbessert man die Nahtqualität lasergeschweißter Textilien?
20.02.2018 | Hohenstein Institute

nachricht Stahl ist nicht gleich Stahl: Informatiker und Materialforscher optimieren Werkstoffklassifizierung
19.02.2018 | Universität des Saarlandes

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Die Brücke, die sich dehnen kann

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort...

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Digitalisierung auf dem Prüfstand: Hochkarätige Konferenz zu Empowerment in der agilen Arbeitswelt

20.02.2018 | Veranstaltungen

Aachener Optiktage: Expertenwissen in zwei Konferenzen für die Glas- und Kunststoffoptikfertigung

19.02.2018 | Veranstaltungen

Konferenz "Die Mobilität von morgen gestalten"

19.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Highlight der Halbleiter-Forschung

20.02.2018 | Physik Astronomie

Wie verbessert man die Nahtqualität lasergeschweißter Textilien?

20.02.2018 | Materialwissenschaften

Der Bluthochdruckschalter in der Nebenniere

20.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics