Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn es sich reibt, sind die Atome schuld

09.07.2015

Reibung und Verschleiß spielen praktisch in jedem Industriebereich eine wichtige Rolle. AC²T und TU Wien konnten nun wichtige Gesetze der Reibung auf atomarer Ebene erklären.

Wenn man einen Schlitten über den Asphalt zieht, dann macht er hässliche Geräusche und wird von der Reibkraft gebremst. Wenn sich dann noch dazu jemand auf den Schlitten setzt, wird die Reibung noch viel größer und man wird ihn kaum noch ziehen können.


Eine zufällig geformte raue Oberfläche, vor dem Schleifprozess

TU Wien


Nach dem Reibungsvorgang sieht die Oberfläche ganz anders aus.

TU Wien

Je größer die Last, umso größer die Reibkraft – das ist ein wohlbekanntes Gesetz der Reibungslehre. Warum es allerdings einen so einfachen, linearen Zusammenhang zwischen Last und Reibung gibt, war bisher nicht klar.

Ein Team des Exzellenzzentrums für Tribologie AC2T research GmbH (kurz AC²T) und der TU Wien konnte diese Frage nun auf mikroskopischer Ebene klären: Entscheidend ist die effektive Kontaktfläche zwischen den beiden aneinander reibenden Objekten.

Erstaunlich ist, dass sich damit sogar das Reibverhalten bei Materialverschleiß erklären lässt. Auch in diesem Fall ist die effektive Kontaktfläche auf atomarer Skala die entscheidende Größe. Die Arbeit wurde nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Tribologie: Reibung gibt es überall

Tribologie ist die Wissenschaft, die sich mit Reibung, Schmierung und Verschleiß beschäftigt. In fast allen Bereichen der Industrie hat man mit tribologischen Phänomenen zu tun – von der Reibung eines Zylinderkolbens im Motor über Bremsen bis hin zu Schienen, Seilbahnen oder Papiermaschinen.

Am Exzellenzzentrum für Tribologie (bzw. innerhalb des Schirmprojektes COMET-K2-Zentrum XTribology, hervorgegangen aus der TU Wien, gefördert vom Bund im Wege der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG sowie den Bundesländern Niederösterreich, Vorarlberg und Wien), werden Reibung und Verschleiß in enger Zusammenarbeit mit der Wirtschaft wissenschaftlich untersucht.

Reibung auf mikroskopischer Skala

Um die tieferen Grundlagen der Reibung zu verstehen, muss man die Reibungsoberflächen manchmal auf atomarer Ebene untersuchen. AC²T und die TU Wien entwickelten Computersimulationen, in denen Oberflächen auf der Größenskala von Nanometern modelliert wurden. In der Simulation kann man diese dann gegeneinander bewegen und somit die Reibung und den Materialabtrag nachstellen.

Die Reibung beruht darauf, dass die beiden aufeinander aufliegenden Oberflächen nicht ganz glatt sind. Einzelne Rauheitsspitzen kommen miteinander in Kontakt. „Wenn die Last gering ist, besteht nur physischer Kontakt zwischen den äußersten Unebenheiten der beiden Flächen“, erklärt Stefan Eder (AC²T), der Erstautor der Studie. „Wirkt von oben eine größere Last ein, werden die beiden Flächen enger aneinandergedrückt, und die effektive Kontaktfläche wird größer.“

Auf die Fläche kommt es an

Je größer die Kontaktfläche ist, auf der die Atome beider Objekte wechselwirken, umso größer ist auch die Reibkraft. Der einfache lineare Zusammenhang zwischen Last und Reibung kommt also daher, dass mehr Last zu einer immer größeren Zahl von Atomen führt, die miteinander eng wechselwirken können.

„Im Experiment ist es praktisch unmöglich, die Größe der effektiven Kontaktfläche zu messen“, sagt Stefan Eder. „In unserer Computersimulation können wir uns aber genau ansehen, wie die Nanostrukturen ineinandergreifen und welche Kontaktflächen sich ergeben. So können wir zeigen, dass es tatsächlich einen linearen Zusammenhang zwischen Kontaktfläche und Kraft gibt.“

Die Rechnungen erklären auch, warum die Reibung besonders groß ist, wenn eckige Partikel an einer Oberfläche reiben, und etwas geringer, wenn runde Partikel dominieren: Eckige Partikel führen zu einer größeren effektiven Kontaktfläche, runde Partikel berühren die raue Oberfläche fast nur an einem Punkt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der einfache Zusammenhang zwischen Kontaktfläche und Reibkraft auch dann noch gegeben ist, wenn es zu deutlichem Materialverschleiß an der Oberfläche kommt.

„Dass dieses recht einfache Bild tatsächlich auf mikroskopischer Skala seine Gültigkeit behält, ist überraschend“, meint Stefan Eder. „Mikroskopische Berechnungen dieser Vorgänge geben uns nun auch die Möglichkeit, kompliziertere Fälle zu verstehen, die sich nicht mit einem so einfachen Zusammenhang zwischen Last und Reibkraft erklären lassen.“

Ein Beispiel dafür ist etwa das Rasterkraftmikroskop: Eine feine Nadel auf einem winzigen Hebel wird über eine raue Oberfläche gezogen, nur einige wenige Atome in der äußersten Spitze der Nadel kommen in Kontakt mit der Oberfläche. „Reibung und Last sind nur direkt proportional, wenn man die Reibung als statistischen Effekt beschreiben kann, der durch eine große Zahl von Kontaktpunkten verursacht wird“, sagt Stefan Eder. „Beim Rasterkraftmikroskop hat man im Idealfall nur einen Kontaktpunkt, da muss man tatsächlich die Wechselwirkungen zwischen den äußersten Atomen untersuchen.“

Die Berechnungen wurden nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert. Die theoretischen Arbeiten werden bei AC²T und an der TU Wien noch weitergeführt – die Erkenntnisse daraus sollen dann auch in die vielen industrienahen tribologischen Projekte einfließen, an denen im Exzellenzzentrum gearbeitet wird, beispielsweise zu den Themen Hochglanzpolieren oder Verschleißprozesse mit Nanopartikeln.

Weitere Informationen:

http://Bilderdownload: http://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2015/tribologie
http://Originalpublikation: "Applicability of Macroscopic Wear and Friction Laws on the Atomic Length Scale": http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.025502

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Wie Proteine Zellmembranen verformen

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor Oliver Daumke vom MDC erforscht. Er und sein Team haben nun aufgeklärt, wie sich diese Proteine auf der Oberfläche von Zellen zusammenlagern und dadurch deren Außenhaut verformen.

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor...

Im Focus: Safe glide at total engine failure with ELA-inside

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded after a glide flight with an Airbus A320 in ditching on the Hudson River. All 155 people on board were saved.

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded...

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Poseidon goes Politics – Wer oder was regiert die Ozeane?

27.02.2017 | Veranstaltungen

Fachtagung Rapid Prototyping 2017 – Innovationen in Entwicklung und Produktion

27.02.2017 | Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Herz-Untersuchung: Kontrastmittel sparen mit dem Mini-Teilchenbeschleuniger

27.02.2017 | Medizintechnik

Neue Maßstäbe für eine bessere Wasserqualität in Europa

27.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wenn der Schmerz keine Worte findet - Künstliche Intelligenz zur automatisierten Schmerzerkennung

27.02.2017 | Medizintechnik