Atomarer Mechanismus der Supraschmierung aufgeklärt

Das Phänomen der sogenannten Supra­schmierung ist bekannt, es war jedoch auf atomarer Ebene bislang nicht zu erklären: Wie entsteht die extrem niedrige Reibung beispiels­weise in Lagern? Forsche­rinnen und Forscher der Fraun­hofer-Institute für Werk­stoff­mechanik IWM und für Werk­stoff- und Strahl­technik IWS entschlüs­selten gemein­sam einen universellen Mecha­nismus der Supra­schmierung bei bestimmten diamant­ähnlichen Kohlen­stoff­schichten in Verbindung mit orga­nischen Schmier­stoffen. Auf dieser Wissens­basis ist es nun möglich, Design­regeln für supra­schmie­rende Schicht-Schmier­stoff-Kom­binationen zu formulieren. Die Ergebnisse präsentiert ein Artikel der Zeitschrift Nature Communications, Ausgabe 10.

Eine der wichtigsten Grund­voraus­setzungen für nach­haltige und umwelt­freundliche Mobilität ist, Reibung zu mini­mieren. Diesem wichtigen Vorhaben widmen sich Forschung und Wirt­schaft bereits seit Jahren. Supra­schmierung könnte nicht nur kleine, sondern extreme Reibungs­reduzie­rungen erzielen. Würden beispiels­weise die Reibung in den Motoren und Getrie­ben von Fahr­zeugen auf minimale Werte vermindert, wie sie bei der Supra­schmierung auftreten, sänke der jährliche globale CO₂-Ausstoß um viele Hundert Millionen Tonnen. Dieser Zukunfts­vision sind zwei Fraun­hofer-Institute einen wichtigen Schritt näher gekommen. In dem vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanzierten Projekt PEGASUS II haben Wissen­schaftle­rinnen und Wissen­schaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff­mechanik IWM in Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahl­technik IWS in Dresden den atomaren Mechanis­mus aufgedeckt, der einer Supraschmierung in einem speziellen Reibpartner-System zugrunde liegt. Sie unter­suchten viel­versprechende tribologische Systeme, bei denen die Ober­flächen der Reib­partner aus speziellen diamant­artigen Kohlenstoff­schichten bestehen, die mit einer am Fraunhofer IWS entwickelten Beschich­tungs­techno­logie hergestellt werden. Diese so genannten tetra­edrischen amorphen Kohlen­stoff­schichten (ta-C) wurden mit organischen Schmier­stoffen kombiniert. Das Forschungs­team fand mithilfe von Simu­lationen heraus, dass sich der Schmier­stoff tribo­chemisch zerlegt und sich dadurch Graphen-artige Ober­flächen bilden: die Voraus­setzung für eine Supra­schmierung.

Dr. Volker Weihnacht, Abteilungs­leiter Kohlenstoff­schichten, und Stefan Makowski, Gruppen­leiter Schicht­eigen­schaften, am Fraunhofer IWS unter­suchten syste­matisch die Wechsel­wirkung von Schmier­stoffen mit ta-C-Kohlenstoff­ober­flächen. Mit unge­sättigten Fett­säuren oder Glycerol stellten sich extrem niedrige Reib­werte auf dem Niveau der Supra­schmierung ein. Erstaunt waren sie, dass mit kleinsten Ände­rungen in der Molekül­struktur dieser Effekt nicht eintrat und die Reibung viel höher war. So erzielten gesättigte Fett­säuren und Alkane keinen Supra­schmier­effekt.

Den Grund dafür klärten Prof. Michael Moseler und Dr. Gianpietro Moras am Fraun­hofer IWM auf. „Mit quanten­chemischen Simu­lationen konnten wir nach­weisen, dass Schmier­stoff­moleküle, die min­destens zwei Reaktiv­zentren haben und damit gleich­zeitig mit beiden ta-C-beschichteten Ober­flächen eine chemische Bindung eingehen können, durch die Gleit­bewegung auseinander­gerissen und in ihre Bestand­teile zerlegt werden“, erläutert Prof. Moseler, Leiter der Gruppe „Multiskalen­modellierung und Tribo­simu­lation“. Dadurch werden die Sauerstoff­atome des Schmier­stoffs frei­gesetzt und in den ta-C-Film eingebaut. Der Sauer­stoff stört das drei­dimen­sionale tetraedrische Kohlen­stoff­netzwerk und fördert damit die Bildung von Graphen-ähn­lichen Ober­flächen, die effektiv Reibung und Verschleiß unterdrücken und so für die Supra­schmie­rung sorgen. Entspre­chende Simu­lationen mit Alkanen oder gesät­tigten Fett­säuren als Schmier­stoff zeigten diese mechano-chemischen Prozesse nicht, da sie keine oder nur ein Reaktiv­zentrum aufweisen. „Diese Schmier­stoffe lagern nur an einer Ober­fläche an und bilden quasi einen mole­kularen Flaum – der reduziert zwar auch die Reibung, allerdings nicht auf dem Supra­schmier­niveau“, sagt Prof. Moseler. Die damit neu entdeckte Design­regel besagt, dass im Schmier­stoff mehrere reaktive Zentren vor­handen sein müssen, um Supra­schmie­rung hervor­zurufen. „Diese Regel beschränkt sich natürlich nicht nur auf die hier untersuchten Fett­säuren, sie ist auch auf andere Schmier­mittel übertragbar“, so Prof. Moseler.

Die Ergebnisse des Forschungs­teams ermög­lichen sowohl die Vor­her­sage der tribolo­gischen Eigen­schaften von ta-C-Ober­flächen, die mit verschie­denen Molekül­typen geschmiert werden, als auch die Formu­lierung von Richt­linien für das Design neu­artiger orga­nischer Reibungs­modifizierer. Auch Vorher­sagen zum Maß­schneidern der Kohlen­stoff­schichten selbst und der nötigen Design­regeln eines Supra­schmier­stoffes für andere Ober­flächen, wie Stahl oder Alu­minium, werden so zu denk­baren Projekten. Die Wissen­schaft­lerinnen und Wissen­schaftler der Fraun­hofer-Institute IWM und IWS werden 2019 mit finan­zieller Unter­stützung des BMWi im Rahmen des Projekts PROMETHEUS mit indus­triellen Partnern weiter daran arbeiten, die quanten­chemischen Erkennt­nisse in ingenieurs­mäßige Lösungen zu über­führen. Ihr Ziel: die Reibung in Ver­brennungs­motoren und anderen Anwen­dungen weiter reduzieren.

IWS / LK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. Kuwahara et al.: Mechano-chemical decomposition of organic friction modifiers with multiple reactive centres induces superlubricity of ta-C, Nature Communications 10, 151 (2019); DOI: 10.1038/s41467-018-08042-8
• Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, PVD- und Nanotechnik, Kohlenstoffschichten
• Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Tribologie, Multiskalenmodellierung und Tribosimulation