Nanoteilchen schubsen: Forscher untersuchen Reibungsprozesse auf kleinster Ebene

Wissenschaftler der Universität Münster wollen die grundlegenden Mechanismen der Reibung verstehen und untersuchen die Prozesse auf allerkleinster Ebene: im Nanobereich.

Privatdozent Dr. André Schirmeisen vom Zentrum für Nanotechnologie (CeNTech) der Universität Münster leitet das internationale Projekt „NANOPARMA“ („Nanoparticle Manipulation by Atomic Force Microscopy Techniques“), das im September 2008 startet. Hauptbeteiligte sind neben der Arbeitsgruppe um Schirmeisen Wissenschaftler von der Universität Bielefeld, der Technischen Universität Lissabon (Portugal), der Universität Tartu (Estland) und der Akademie der Wissenschaften in Bratislava (Slowakei), darüber hinaus sind Forscher aus Lettland, der Schweiz, Frankreich und den USA dabei. Das Projekt wird über drei Jahre von der European Science Foundation mit insgesamt 1,1 Millionen Euro gefördert; rund 214.000 Euro gehen an die münsterschen Forscher.

„Um Reibung zwischen Oberflächen zu verstehen, müssen wir die Berührungspunkte zwischen den Flächen im Nanobereich anschauen“, erklärt Schirmeisen. Die münsterschen Forscher führen dazu mechanische Messungen auf allerkleinster Ebene durch: Sie verschieben einzelne Nanopartikel, die maximal ein tausendstel Millimeter groß sind, und messen die Kraft, die für diese Verschiebung nötig ist.

Um die winzigen Partikel aus ihrer Position zu lösen, nutzen die Forscher ein Rasterkraftmikroskop. Solch ein Mikroskop tastet mit einer hauchdünnen Spitze eigentlich die Struktur von Oberflächen ab und erzeugt so ein Bild. Die Wissenschaftler haben diese Technik jedoch weiterentwickelt. Sie „schubsen“ einzelne Nanopartikel mit der Spitze – simulieren also, was bei Reibung geschieht – und messen die Kräfte, die nötig sind, um die winzigen Teilchen zu bewegen. „Das ist keine Standardmethode“, betont Schirmeisen. „Wir sind mit dieser Untersuchungstechnik am Limit dessen, was heute möglich ist“.

Die münsterschen Wissenschaftler sind darauf spezialisiert, solche Messungen im Ultrahochvakuum durchzuführen. Andere an dem Projekt beteiligte Forschergruppen führen ähnliche Untersuchungen an der Luft oder in Flüssigkeiten durch, wieder andere stellen die Nanopartikel her, die für die Messungen benötigt werden. Die Bielefelder Kollegen stellen mathematische Modelle auf, die beschreiben, was bei der Reibung auf Nano-Ebene passiert. „Die Kooperation zwischen Experiment und Theorie ist besonders wichtig – nur so können wir unsere Beobachtungen am Ende erklären“, so Schirmeisen.

Die Ergebnisse der Forscher sollen nicht nur zu einem besseren Verständnis des Phänomens Reibung führen, sondern haben auch Anwendungspotenzial. Nanoteilchen spielen im Alltag eine große Rolle. „Im Motor zum Beispiel werden permanent Nanopartikel abgerieben, was einen Einfluss auf dessen mechanischen Eigenschaften hat“, erklärt Schirmeisen. Auf Grundlage der Forschungsergebnisse können die mechanischen Eigenschaften von Motoren und Maschinen künftig vielleicht verbessert werden. Es gibt sogar Nanopartikel, die gar keine Reibung erzeugen. Warum das so ist, ist unbekannt. „Wir versuchen, das herauszufinden“, so Schirmeisen. „Dabei stellt sich auch die Frage: Wie könnte man diesen Effekt nutzen?“

„NANOPARMA“ startet am 8. September 2008 mit einer Auftaktveranstaltung in Basel. „Ich finde es besonders schön“, sagt Schirmeisen erfreut, „dass das Projekt von Münster aus koordiniert wird und dass wir uns mit unserem jungen Team im Wettkampf um die Vergabe der Fördermittel durchsetzen konnten.“