Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Was Kniegelenke und Glasbläser gemeinsam haben

09.09.2014

Materialwissenschaftler erklären wie sich Flüssigkeiten zwischen zwei festen Flächen zu Glas umwandeln

Sei es die Gelenkflüssigkeit zwischen einzelnen Knochen oder Öl zwischen zwei Türscharnieren: um die Reibung zweier fester Flächen aneinander zu vermeiden, bedarf es eines Schmiermittels. Denn was mit dem bloßen Auge oft nicht erkennbar ist, wird unter dem Mikroskop deutlich: Oberflächen sind nie ganz glatt, sondern weisen keilartige Geometrien auf, die zwangsweise zur Reibung der Oberflächen aneinander führen (Abbildung 1).


Aufnahme einer Stahloberfläche . Treffen zwei solcher Oberflächen aufeinander, entsteht eine Vielzahl keilförmiger Zwischenräume. Diese bestimmen die Eigenschaften von Schmiermitteln.

Fatholla Varnik, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH


Wie kann man die Reibung zweier Oberflächen beeinflussen? Ein Team aus Wissenschaftlern gewinnt Erkenntnisse hierfür anhand moderner Computersimulationen.

Klaus Kroy

Dass der Platz zwischen diesen Flächen ausschlaggebend ist für die Eigenschaften solcher Schmiermittel, fanden in einer gemeinsamen Forschungsarbeit Physiker und Materialwissenschaftler am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), am ICAMS (Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation; frei übersetzt: Interdisziplinäres Zentrum für moderne Materialsimulation) der Ruhr-Universität Bochum und an den Universitäten Innsbruck, Erlangen und Tübingen heraus.

Zunächst untersuchten die Forscher mittels Computersimulationen und theoretischen Vorhersagen Flüssigkeiten zwischen zwei angrenzenden parallelen harten Platten und konnten feststellen, dass die Eigenschaften einer so eingegrenzten Flüssigkeit stark vom Plattenabstand abhängen, wenn dieser nur wenige Teilchen umfasst.

Im Falle amorpher Materialien - das sind Materialien, deren Atome in einer ungeordneten Struktur vorliegen - kann die durch die Platten verursachte, geometrische Einschränkung zu einem Übergang von einem flüssigen in einen festen und brüchigen Zustand führen. Beschränkt man den Abstand weiter, kehrt sich der Prozess um und man erhält wieder eine Flüssigkeit.

Diese Um- bzw. Rückwandlung ist wiederholbar und hängt sowohl vom Durchmesser des Plattenabstandes als auch vom äußeren Druck ab. Solche Übergänge von Materialien von einem Zustand in einen anderen werden als Phasenumwandlung bezeichnet. Materialien, die die oben beschriebene Phasenumwandlung durchlaufen, sind Gläser.

Genauso wie ein Glasbläser durch sehr schnelles Abkühlen einen flüssigen oder gasförmigen Stoff in festes Glas umwandeln kann, so zeigt die Forschungsarbeit, dass auch geometrische Veränderungen, wie die Änderung des Raumes zwischen zwei festen Stoffen, Einfluss auf die Flüssigkeit beziehungsweise das Schmiermittel im Zwischenraum haben können.

Die Forschungsarbeit zeigt erstmals, dass bei keilartigen Geometrien flüssige und glasartige Zustände, sogenannte Phasen, gleichzeitig nebeneinander existieren, wenn der externe Druck hoch genug ist. Mittels moderner Computersimulationen konnten Aussagen über Zwischenräume von nur wenigen Teilchenlagen getroffen werden, was besonders interessant für Anwendungen in der Mikro- und Nanotechnologie ist.

Während die Untersuchung solch kleiner Zwischenräume vormals dadurch begrenzt war, dass sich Flüssigkeiten durch derart starke Begrenzungen kristallisieren, das heißt, dass deren atomare Struktur von unregelmäßigen, amorphen Mustern in kristalline und somit geordnete Muster übergeht, konnten die Wissenschaftler dieses Problem durch die Einführung verschiedener Partikelgrößen überwinden.

„Das ist der Anfang einer Reihe von Entdeckungen“, so Dr. Fathollah Varnik, wissenschaftlicher Gruppenleiter am ICAMS. „Die theoretischen Erkenntnisse unserer Forschungsarbeit öffnen den Weg für neuartige Anwendungen im Maschinenbau, in der Nanotechnologie, und sogar im medizinischen Bereich, zum Beispiel für Endoprothesen.“ Die Berücksichtigung der Reibungsprozesse kann zur Energieeinsparung und längerer Lebensdauer eines Werkstücks führen, indem Verschleiß und Abrieb verringert werden.

Publikation:
Mandal et al, Nature Communications 5, 4435 (2014).

Weitere Informationen:

http://www.mpie.de

Yasmin Ahmed Salem | Max-Planck-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte
17.02.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen
16.02.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie