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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
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