Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Reibung in der Nano-Welt - Physiker entdecken neue Art der Reibung

15.05.2013
Ob Fahrzeuggetriebe, künstliches Hüftgelenk oder winzige Sensoren für das Auslösen von Airbags: Die jeweiligen Einzelteile müssen reibungsarm gegeneinander gleiten, um Energieverlust und Materialverschleiß zu verhindern.

Bei der Untersuchung des Reibungsverhaltens Nanometer kleiner Systeme fanden Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) jetzt eine bislang unbekannte Art der Reibung, die neues Licht auf einige bisher unerklärliche Phänomene wirft.


Eine Polymerkette wird mit der AFM-Spitze über die Oberfläche gezogen - Bild: B. Balzer/TUM

Reibung ist ein allgegenwärtiges aber lästiges physikalisches Phänomen: Sie verursacht Verschleiß und Energieverlust sowohl in Motoren als auch in unseren Gelenken. Auf der Suche nach reibungsarmen Komponenten für immer kleiner werdende Bauteile entdeckten Physiker um die Professoren Thorsten Hugel und Alexander Holleitner nun eine bisher unbekannte Art der Reibung, die „Desorptionshaftung“.

In verschiedenen Lösungsmitteln untersuchten die Forscher wie und warum Polymermoleküle auf bestimmten Oberflächen haften oder gleiten. Ihr Ziel war es, grundlegende physikalische Gesetzmäßigkeiten auf der molekularen Skala zu verstehen, um gezielt reibungsmindernde Oberflächen und passende Schmiermittel entwickeln zu können.

Für ihre Studien befestigten die Wissenschaftler das Ende eines Polymermoleküls an der Nanometer feinen Spitze eines hochempfindlichen Rasterkraftmikroskops (AFM). Während sie es über die Testoberflächen zogen, maß das AFM die daraus resultierenden Kräfte, aus denen die Forscher direkt das Verhalten des Polymerknäuels ableiten konnten.

Neuer Reibungsmechanismus entdeckt
Bei den meisten Versuchen traten die beiden erwarteten Reibungsmechanismen Haften und Gleiten auf. Bei bestimmten Kombinationen von Polymer, Lösungsmittel und Oberfläche jedoch verhielt sich das System anders.

„Das Polymer haftet dabei zwar an der Oberfläche, aber der Polymerstrang kann ohne nennenswerte Kraft aus dem Knäuel in die umgebende Lösung gezogen werden“, beschreibt der Experimentalphysiker Thorsten Hugel dieses Verhalten. „Die Ursache ist vermutlich eine sehr geringe interne Reibung innerhalb des Polymerknäuels“.

Das Lösungsmittel ist der Schlüssel
Erstaunlicher Weise hängt die Desorptionshaftreibung weder von der Geschwindigkeit, noch von der Auflagefläche des Polymers oder von der Haftkraft des Polymers ab. Entscheidend sind stattdessen vor allem die chemische Natur der Oberfläche und die Qualität des Lösungsmittels. So zeigt zum Beispiel das hydrophobe Polystyrol, in Chloroform gelöst, ein reines Gleitverhalten, in Wasser aber Desorptionshaftung.

„Das durch unsere Messungen der Einzelmolekülreibung gewonnene Verständnis eröffnet neue Wege zur Reibungsminimierung“, sagt Alexander Holleitner. „In Zukunft könnten mit gezielt hergestellten Polymeren neue Oberflächen speziell für den Nano- und Mikrometer Bereich entwickelt werden“.

Die Arbeit wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und den Exzellenzcluster Nanosystems Initiative München (NIM) unterstützt.

Publikation:
Reibungsmechanismen auf der Nanoskala an Fest-flüssig-Grenzflächen
Bizan N. Balzer, Dr. Markus Gallei, Moritz V. Hauf, Markus Stallhofer, Lorenz Wiegleb, Prof. Dr. Alexander Holleitner, Prof. Dr. Matthias Rehahn and Prof. Dr. Thorsten Hugel

Angewandte Chemie, early view, 7. Mai 2013; DOI: 10.1002/ange.201301255

Kontakt:

Prof. Dr. Thorsten Hugel

Technische Universität München

Physik-Department / IMETUM

Boltzmannstr. 11, 85747 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 12884
E-Mail: thorsten.hugel@ph.tum.de
Internet: http://bio.ph.tum.de/home/e22-prof-dr-hugel/


Die Technische Universität München (TUM) ist mit rund 500 Professorinnen und Professoren, 9.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 32.000 Studierenden eine der führenden technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunktfelder sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften, Medizin und Wirtschaftswissenschaften. Nach zahlreichen Auszeichnungen wurde sie 2006 und 2012 vom Wissenschaftsrat und der Deutschen Forschungsgemeinschaft zur Exzellenzuniversität gewählt. In nationalen und internationalen Vergleichsstudien rangiert die TUM jeweils unter den besten Universitäten Deutschlands. Die TUM ist dem Leitbild einer forschungsstarken, unternehmerischen Universität verpflichtet. Weltweit ist die TUM mit einem Forschungscampus in Singapur sowie Niederlassungen in Peking (China), Brüssel (Belgien), Kairo (Ägypten) und Sao Paulo (Brasilien) vertreten. www.tum.de

Prof. Dr. Thorsten Hugel | Technische Universität München
Weitere Informationen:
http://www.tum.de

Weitere Berichte zu: Energieverlust Lösungsmittel Nano-Welt Nanometer Physik Polymere Polymerknäuels Reibung TUM

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Fehlerfrei ins Quantencomputer-Zeitalter
18.12.2017 | Universität Innsbruck

nachricht „Carmenes“ findet ersten Planeten
18.12.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

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: „Carmenes“ findet ersten Planeten

Deutsch-spanisches Forscherteam entwirft, baut und nutzt modernen Spektrografen

Seit Januar 2016 nutzt ein deutsch-spanisches Forscherteam mit Beteiligung der Universität Göttingen den modernen Spektrografen „Carmenes“ für die Suche nach...

Im Focus: Fehlerfrei ins Quantencomputer-Zeitalter

Heute verfügbare Ionenfallen-Technologien eignen sich als Basis für den Bau von großen Quantencomputern. Das zeigen Untersuchungen eines internationalen Forscherteams, deren Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht wurden. Die Wissenschaftler haben für Ionenfallen maßgeschneiderte Protokolle entwickelt, mit denen auftretende Fehler jederzeit entdeckt und korrigiert werden können.

Damit die heute existierenden Prototypen von Quantencomputern ihr volles Potenzial entfalten, müssen sie erstens viel größer werden, d.h. über deutlich mehr...

Im Focus: Error-free into the Quantum Computer Age

A study carried out by an international team of researchers and published in the journal Physical Review X shows that ion-trap technologies available today are suitable for building large-scale quantum computers. The scientists introduce trapped-ion quantum error correction protocols that detect and correct processing errors.

In order to reach their full potential, today’s quantum computer prototypes have to meet specific criteria: First, they have to be made bigger, which means...

Im Focus: Search for planets with Carmenes successful

German and Spanish researchers plan, build and use modern spectrograph

Since 2016, German and Spanish researchers, among them scientists from the University of Göttingen, have been hunting for exoplanets with the “Carmenes”...

Im Focus: Immunsystem - Blutplättchen können mehr als bislang bekannt

LMU-Mediziner zeigen eine wichtige Funktion von Blutplättchen auf: Sie bewegen sich aktiv und interagieren mit Erregern.

Die aktive Rolle von Blutplättchen bei der Immunabwehr wurde bislang unterschätzt: Sie übernehmen mehr Funktionen als bekannt war. Das zeigt eine Studie von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Call for Contributions: Tagung „Lehren und Lernen mit digitalen Medien“

15.12.2017 | Veranstaltungen

Die Stadt der Zukunft nachhaltig(er) gestalten: inter 3 stellt Projekte auf Konferenz vor

15.12.2017 | Veranstaltungen

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Carmenes“ findet ersten Planeten

18.12.2017 | Physik Astronomie

Fehlerfrei ins Quantencomputer-Zeitalter

18.12.2017 | Physik Astronomie

Konsortium erhält 2 Millionen Euro Förderung für neue MR-kompatible elektrophysiologis

18.12.2017 | Medizintechnik