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 Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT
18.07.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung
17.07.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

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: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Europaweit erste Patientin mit neuem Hybridgerät zur Strahlentherapie behandelt

19.07.2018 | Medizintechnik

Waldrand oder mittendrin: Das Erbgut von Mausmakis unterscheidet sich je nach Lebensraum

19.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Automatisiertes Befüllen von Regalen im Einzelhandel

19.07.2018 | Verkehr Logistik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics