Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues Verfahren: Physiker messen Reibung in einem Schmiermittel auf molekularer Ebene

17.07.2014

Reibung ist ein Phänomen, das im Alltag immer wieder auftritt. Um Energieverluste durch Reibungskräfte etwa beim Auto zu vermeiden, setzen Ingenieure auf Schmiermittel.

Saarbrücker Physiker um Judith Hoth und Professor Roland Bennewitz haben ein neues Verfahren entwickelt, um diese Kräfte in Schmierstoffen auf molekularer Ebene zu messen. Dabei konnten sie den schichtartigen molekularen Aufbau des eigentlich flüssigen Schmierstoffs deutlicher sehen als mit bislang gängigen Methoden. Zudem haben sie gezeigt, dass die Reibung umso größer ist, je näher die einzelne molekulare Schicht an der Oberfläche des Materials liegt. Die Industrie könnte dies nutzen, um Reibung gezielt zu steuern. 


Die Abbildung zeigt ein typisches Ergebnis einer Kraftmessung an der ionischen Flüssigkeit. Während sich die Messspitze der Oberfläche nähert (abnehmende Distanz), spürt sie einen Widerstand der zusammengedrängten Flüssigkeit (zunehmende Kraft). Dabei springt die Messspitze von einer molekularen Lage zur nächsten, immer deutlicher je näher sie der Oberfläche kommt. Abb.: Bennewitz/INM

 Reibung entsteht immer dort, wo zwei Gegenstände sich zueinander bewegen. Wenn ein Auto zum Beispiel auf der Straße beschleunigt, entsteht zwischen dem Autoreifen und der Straße Reibung. In vielen Fällen ist diese Kraft unerwünscht, etwa wenn sie als Luftwiderstand zum Energieverbrauch des Autos beiträgt.

Um die Reibung herabzusetzen, kommen daher bei vielen technischen Prozessen Schmierstoffe zum Einsatz, zum Beispiel in Form von Ölen oder Graphit. Eine relativ neue Form von Schmierstoffen stellen sogenannte ionische Flüssigkeiten dar, die derzeit aber noch wenig Verwendung finden. „Diese Flüssigkeiten sind eigentlich geschmolzene Salze“, sagt Judith Hoth.

Im Gegensatz zum Kochsalz liegt dieses Salz in flüssiger Form vor. Es hält hohen Druck und hohe Temperaturen aus und verdampft nicht im Vakuum. „Kommen ionische Flüssigkeiten mit einer elektrisch geladenen Oberfläche in Kontakt, bilden sie Schichten aus“, erklärt die Physikerin weiter. „Die Anzahl der Schichten hängt dabei davon ab, wie stark die Bindung zur Oberfläche ist.“

Wie Reibungskräfte auf diese Schichten wirken, haben Physiker der Universität des Saarlandes und des Leibniz-Instituts für Neue Materialien in einer Studie mit einem neuen Verfahren am Rasterkraftmikroskop untersucht. Bislang kam so ein Mikroskop zum Einsatz, um Reibung zum Beispiel zwischen zwei Oberflächen im Schmierstoff zu messen und nicht die Reibung im Schmiermittel selbst, wie es die Saarbrücker Physiker nun getan haben.

Hoth und ihre Kollegen haben bei ihrem Ansatz die Reibung zwischen der Messspitze des Mikroskops und einer Goldoberfläche gemessen, während sich die Spitze in einer ionischen Flüssigkeit der Oberfläche nähert. Um herauszufinden, welche Reibung dort entsteht, haben die Forscher für jede Schicht die Kräfte gemessen, die senkrecht und seitlich auf die Schicht einwirken (Vertikal- und Lateralkräfte).

„Mit unserer Methode haben wir die Schichtstruktur stärker gesehen, als dies bislang möglich war“, erklärt Hoth. So konnten die Forscher zum Beispiel zeigen, dass die ionische Flüssigkeit in ihrem Versuch zwölf Schichten gebildet hat – eine Anzahl, die bislang noch nicht beobachtet werden konnte. Das experimentelle Ergebnis konnte mittels einer Theorie des Saarbrücker Materialwissenschaftlers Martin Müser im Detail beschrieben werden.

Darüber hinaus haben die Physiker herausgefunden, dass die Reibungskraft in der Schicht, die am nächsten zur Goldoberfläche ist, mit Abstand am größten ist. Mehrere Schichten der ionischen Flüssigkeit entwickelten dagegen ihre volle Schmierwirkung.

Für die Industrie könnten die Ergebnisse der Studie von Bedeutung sein: „Man könnte die Reibungskräfte bei einem solchen Schmiermittel künftig gezielt steuern, indem man je nach Bedarf die Anzahl der Schichten ändert“, sagt Hoth.

Judith Hoth hat einen internationalen Physikstudiengang absolviert, der von der Saar-Uni gemeinsam mit den Hochschulen in Lothringen und Luxemburg angeboten wird. Die Untersuchungen hat sie im Rahmen ihrer Masterarbeit bei Professor Roland Bennewitz am INM Leibniz-Institut für Neue Materialien durchgeführt. Hoth promoviert mittlerweile in Twente in den Niederlanden. Hier erforscht sie das Fließverhalten von ionischen Flüssigkeiten.

Die Studie wurde im „Journal of Physics: Condensed Matter“ veröffentlicht:
Judith Hoth, Florian Hausen, Martin H. Müser, and Roland Bennewitz: Force microscopy of layering and friction in an ionic liquid. DOI:10.1088/0953-8984/26/28/284110

emeinsame Pressemeldung der Universität des Saarlandes und des Leibniz-Instituts für Neue Materialien

Fragen beantworten:
Judith Hoth
Universität Twente
Tel.: +31-(0)53-489 2642
E-Mail: j.l.hoth(at)utwente.nl

Prof. Dr. Roland Bennewitz
Programmbereichsleiter Nanotribologie
INM Leibniz-Institut für Neue Materialien
Tel.: 0681 9300-213
E-Mail: roland.bennewitz(at)inm-gmbh.de

Weitere Informationen:

http://iopscience.iop.org/0953-8984/26/28/284110

Melanie Löw | Universität des Saarlandes

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

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: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise