Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Wassertropfen als Modell für das Wechselspiel von Haftreibung und Adhäsion

30.06.2016

Physiker haben an der Universität Zürich ein System entwickelt, mit dem sie Adhäsion und Haftreibung eines Wassertropfens auf einer festen Oberfläche elektrisch hin und her schalten können. Die Spannungsänderung äussert sich makroskopisch im Kontaktwinkel zwischen Tropfen und Oberfläche. Zurückführen lässt sich dieser Effekt auf die Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit im Nanometerbereich.

Wie kommt es, dass sich ein Gecko kopfüber an einer Decke fortbewegen kann? Zwei Mechanismen sind dafür verantwortlich: Die Adhäsion durch Milliarden feinster Härchen an seinen Füssen lässt ihn an Decken und Wänden kleben. Sobald sich der Gecko bewegt, verlässt er sich auf die Haftreibung. Die Änderung von Adhäsion und Haftreibung auf der makroskopischen Ebene äussert sich auf der Nanometerskala durch die Änderung der Kräfte, die zwischen Atomen und Molekülen wirken.


Elektrochemie in einem Tropfen: Überlagerung von 7 dynamischen Kontaktwinkelmessungen zwischen Wassertropfen und Oberfläche; Durchmesser vertikale Kapillare 0,85 mm.

UZH


Bienenwabenförmiges Nanomesh: Bornitrid-Struktur aus Stickstoff (grün) und Bor (orange) auf Rhodium (grau); Wabenabstand 3,2 nm.

Marcella Iannuzzi, UZH & Ari Seitsonen, ENS Paris

Wie ein Wassertropfen eine bienenwabenförmige Struktur berührt

Einem internationalen Forscherteam unter der Leitung von Thomas Greber vom Physik-Institut der Universität Zürich ist es gelungen, die Art und Weise, wie ein Flüssigkeitstropfen auf einer festen Oberfläche haftet, hin und her zu schalten.

Dies geschieht durch die Veränderung der elektrischen Spannung, die an einen Wassertropfen angelegt wird. Die Oberfläche, auf welcher der Tropfen liegt, besteht aus einem Material genannt Nanomesh. Dabei handelt es sich um eine einzelne Bornitrid-Schicht auf metallischem Rhodium. Die Struktur hat die Form einer Bienenwabe mit einer Wabentiefe von 0,1 Nanometern und einem Wabenabstand von 3,2 Nanometern.

Makroskopisch äussert sich die Änderung der elektrischen Spannung in der Änderung des Kontaktwinkels zwischen Tropfen und Nanomesh-Oberfläche. Mit Kontakt- oder Benetzungswinkel bezeichnet man den Winkel, den ein Flüssigkeitstropfen zur Oberfläche eines Feststoffs bildet. Messen lässt sich dieser Winkel mit Hilfe von Fotografien im Gegenlicht.

Veränderung der Oberflächenstruktur ändert den Kontaktwinkel des Tropfens

Auf der Nanometerskala geschieht durch die Spannungsänderung Folgendes: Die Stickstoffbindungen zum Rhodium werden durch Wasserstoff-Rhodium-Bindungen ersetzt, wodurch sich die Nanomesh-Struktur auflöst. Wie stark der Stickstoff des Bornitrids an die Rhodium-Oberfläche bindet, ist abhängig von dessen Abstand und Richtung zum nächsten Rhodium-Atom.

Und dies bestimmt die Wabentiefe der Bornitrid-Schicht. Ändert sich die Spannung, lagert sich Wasserstoff zwischen Bornitrid- und Rhodium-Schicht, was dazu führt, dass die wabenförmige Bornitrid-Struktur flach wird. Mittels Tunnelmikroskopie lässt sich dieser nanoskopische Effekt – die Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit des Nanomesh – in der Flüssigkeit nachweisen.

«Das Zusammenspiel zwischen der Makro- und der Nano-Welt zu verstehen und zu kontrollieren ist die eigentliche Herausforderung in der Nanowissenschaft», betont Greber. Denn dabei geht es um die Überbrückung von sechs Längengrössenordnungen – von Millimeter (10-3 m) zu Nanometer (10-9 m) – also einem Faktor von einer Million. «Unser Modellsystem des elektrisch schaltbaren Nanomesh und dem beobachtbaren Kontaktwinkel eines Tropfens erlaubt es, das fundamentale Phänomen der Reibung von Flüssigkeiten an Oberflächen genauer zu verstehen. Dies dürfte helfen, um Probleme wie sie zum Beispiel bei der Schmierung auftreten, besser lösen zu können.» Die Forschungsarbeit erscheint in der neuen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature – auf der Titelseite.

Interessant ist das neue System einerseits für die Biologie. Die Anwendung dieses Effekts sollte es ermöglichen, die Adhäsion und Wanderung von Zellen kontrolliert zu steuern. Dadurch lassen sich Aspekte wie die Zellmigration oder die Bildung komplexer mehrzelliger Strukturen mit neuen wissenschaftlichen Ansätzen erforschen. Denkbar sind andererseits technologische Anwendungen wie Kapillarpumpen, bei denen die Kapillarhöhe durch die elektrische Spannung kontrolliert werden kann oder Mikrokapillaren, bei denen sich der Strömungswiderstand steuern lässt.

Literatur:
Stijn F. L. Mertens, Adrian Hemmi, Stefan Muff, Oliver Gröning, Steven De Feyter, Jürg Osterwalder, Thomas Greber. Switching stiction and adhesion of a liquid on a solid. Nature. June 30, 2016.
DOI: 10.1038/nature18275

Zur Studie
Die Forschungsergebnisse entstanden im Rahmen des Sinergia-Programms des Schweizerischen Nationalfonds (SNF). Der SNF fördert mit diesem Instrument die Zusammenarbeit von mehreren Forschungsgruppen, die interdisziplinär und mit Aussicht auf bahnbrechende Erkenntnisse forschen. Beteiligt waren neben der Universität Zürich die Katholieke Universiteit Leuven, die Technische Universität Wien und die Empa.

Kontakt:
Prof. Dr. Thomas Greber
Physik-Institut
Universität Zürich
+41 44 635 57 44
E-Mail: greber@physik.uzh.ch

Weitere Informationen:

http://www.media.uzh.ch/de/medienmitteilungen/2016/adhaesion-haftreibung.html

Kurt Bodenmüller | Universität Zürich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Astrophysik

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

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: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften