Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Erstmals gemessen: die Reibung zwischen einzelnen Atomen

04.09.2002


Erläuterung zur Illustration von Alexander Herrnberger im Text


Augsburger Physiker ermöglichen mit neuartiger Frequenzmodulations-Lateralkraftmikroskopie Einblick in die atomare Natur der Reibung --


Wissenschaftlern am Augsburger Lehrstuhl für Experimentalphysik VI/Elektronische Korrelationen und Magnetismus (Prof. Dr. Jochen Mannhart) ist es gelungen, erstmals die Reibung zwischen einzelnen Atomen zu messen. Priv. Doz. Dr. Franz Gießibl und Kollegen berichten über diesen wissenschaftlichen Erfolg im Artikel Nr. 1605 der aktuellen Ausgabe der US-amerikanischen Zeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS)*. Mit der neuen rasterkraftmikroskopischen Technik kann künftig nicht nur die Reibung detaillierter studiert werden; vielmehr eröffnet sich hier auch ein Weg zu einem besseren, insbesondere für die Nanotechnologie wichtigen Verständnis der Bindungsverhältnisse von Oberflächenatomen.


Reibung ist ein Alltagsphänomen: Schiebt man einen Stuhl über den Fußboden, muss man dazu Energie aufwenden. Auf mikroskopischer Skala betrachtet ist dies ein großes Rätsel, denn die Kräfte zwischen den Bestandteilen des Stuhls und des Fußbodens, zwischen den einzelnen Atomen also, sind konservativ. "Konservativ" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass man die Energie, die man aufwenden muss, wenn man zwei aneinander gebundene Atome auseinander zieht, zurück bekommt, wenn man deren Abstand wieder verringert. Auf die Welt im Großen übertragen würde das heißen, dass man den Stuhl zuerst zwar anschieben muss, um ihn zu verschieben, dass er dann aber, wenn er einmal angeschoben ist, eigentlich ungebremst weiterrutschen müsste.


ATOMARE REIBUNG: 1929 ERSTMALS BESCHRIEBEN ...

Weshalb dies nicht so ist - den Mechanismus also, aus dem sich atomare Reibung ergibt - hat G. A. Tomlinson bereits im Jahr 1929 beschrieben, und zwar als das "gegenseitige Anzupfen einzelner Oberflächenatome", wenn diese durch laterale Kräfte ausgelenkt werden und wieder in ihre Ruhelagen "zurückschnalzen". Reibung ist dabei entstehende Energiedissipation: der durch die Umwandlung der aufgewandten Energie in Wärme verursachte Verlust an mechanisch nutzbarer Energie. Diesen Mechanismus kann man in der Makrowelt nachbilden: Spannt man die Saite einer Gitarre, so muss man dazu über die Wegstrecke der Saitenauslenkung eine Kraft ausüben und damit Energie aufwenden. Wenn man die Saite langsam zurückbewegt, bleibt die gespeicherte Energie mechanisch nutzbar - man könnte zum Beispiel ein Gewicht damit hochheben. Falls die Saite beim Spannen aber entwischt, ist die aufgewandte Energie nicht mehr mechanisch nutzbar - sie wird als Schall abgestrahlt und letztlich in Wärme verwandelt.

... UND 2002 ERSTMALS EXPERIMENTELL NACHGEWIESEN UND GEMESSEN

Die Messungen der Augsburger Physiker sind nun der erste experimentelle Nachweis dieses vor gut 70 Jahren erstmals beschriebenen Mechanismus, der atomare Reibung verursacht. Mit Experimenten an einem neuartigen Rasterkraftmikroskop ist es Gießibl und Kollegen gelungen zu zeigen, dass der Energieverlust und damit die Reibung dann auftritt, wenn zwei Atome so weit auseinandergezogen werden, dass deren maximale Haftkraft überschritten wird. Die Atome "schnalzen" dann in ihre Ausgangslage zurück, wo sie mit einer Frequenz von Tera-Hertz (1 000 000 000 000 Schwingungen pro Sekunde) oszillieren und die gespeicherte Energie in Form von Wärme an ihre Umgebung abgeben. Dieser "Tomlinson"-Mechanismus ist der wesentliche für Reibung verantwortliche Effekt. Daneben gibt es noch kleinere Beiträge zur Reibungskraft, z. B. elektronische Effekte.

FREQUENZMODULATIONS-LATERALKRAFTMIKROSKOPIE

Um die Reibungskraft zwischen einer Wolframspitze und einer Siliziumoberfläche zu messen, benutzten die Augsburger Physiker die Frequenzmodulations-Lateralkraftmikroskopie, eine spezielle Variante der Rasterkraftmikroskopie. Die Rasterkraftmikroskopie nutzt stets einen empfindlichen Federbalken mit einer atomar scharfen Spitze, um die Kräfte zwischen dem Spitzenatom und einer Oberfläche zu messen. Bei der Frequenzmodulations-Lateralkraftmikroskopie wird die Spitze, die mit konstanter Amplitude parallel zu einer Oberfläche schwingt, über diese Oberfläche gerastert. Der Reibungsverlust zwischen Spitzen- und Probenatom entspricht der einfach zu messenden Energie, die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Amplitude nötig ist.

_______________________________________________________

ZUR ILLUSTRATION:

Der Elementarprozess der Reibung wird mit einem neuartigen Rasterkraftmikroskop studiert. Eine scharfe Spitze, die mit konstanter Amplitude parallel zu einer Siliziumoberfläche schwingt, wird über eine Oberfläche gerastert. Weil die Spitze an den Umkehrpunkten die höchste Aufenthaltswahrscheinlichkeit aufweist, erscheint jedes Atom als Doppelhöcker. Die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Amplitude nötige Energie kann einfach gemessen werden und entspricht dem Reibungsverlust zwischen Spitzen- und Probenatom.
_______________________________________________________

KONTAKT UND WEITERE INFORMATIONEN:

Lehrstuhl für Experimentalphysik VI/EKM, Universität Augsburg, 86135 Augsburg,
o PRIV. DOZ. DR. FRANZ J. GIESSIBL,
Telefon: +49-821-598-3675, Telefax.: +49-821-598-3652
E-Mail: franz.giessibl@physik.uni-augsburg.de
o PROF. DR. JOCHEN MANNHART
Telefon: +49-821-598-3651, Telefax.: +49-821-598-3652
E-Mail: jochen.mannhart@physik.uni-augsburg.de
_______________________________________________________

*) Der Artikel ist unter dem Titel "FRICTION TRACED TO THE SINGLE ATOM" BY FRANZ J. GIESSIBL, MARKUS HERZ, AND JOCHEN MANNHART, UNIVERSITAT AUGSBURG am 27. August 2002 in PNAS Online (Abstract: http://www.pnas.org/cgi/content/abstract/182160599v1) erschienen. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) ist eine der weltweit am häufigsten zitierten multidisziplinären Wissenschaftszeitschriften. PNAS erscheint 14-tägig als Print-Version und täglich in einer Online-Ausgabe ( http://www.pnas.org )

Klaus P. Prem | idw
Weitere Informationen:
http://www.pnas.org/cgi/content/abstract/182160599v1
http://www.pnas.org/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation
13.12.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Einmal durchleuchtet – dreifacher Informationsgewinn
11.12.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Materialinnovationen 2018 – Werkstoff- und Materialforschungskonferenz des BMBF

13.12.2017 | Veranstaltungen

Innovativer Wasserbau im 21. Jahrhundert

13.12.2017 | Veranstaltungen

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rest-Spannung trotz Megabeben

13.12.2017 | Geowissenschaften

Computermodell weist den Weg zu effektiven Kombinationstherapien bei Darmkrebs

13.12.2017 | Medizin Gesundheit

Winzige Weltenbummler: In Arktis und Antarktis leben die gleichen Bakterien

13.12.2017 | Geowissenschaften