Reibung auf atomarer Ebene

Bei der Reibung auf atomarer Ebene spielen Vibrationen der Atome in hauchdünnen Grenzschichten eine zentrale Rolle.

Madison (USA) – Im Großen wie im Kleinen berühren sich Zahnräder, Kupplungen und Rolllager. Feste Materialien reiben aneinander, erzeugen Wärme und verschleißen. Auch in der Nanowelt treten Reibungskräfte auf und müssen für den Aufbau zukünftiger Nanomaschinen beachtet werden. Die Reibungsphänomene auf atomarer Ebene nahm nun ein amerikanisches Forscherteam genauer unter die Lupe. Wie sie in der Zeitschrift „Science“ berichten, spielt das Schwingungsvermögen der Atome in hauchdünnen Grenzschichten dabei eine zentrale Rolle.

„Durch Reibung wird die Bewegungsenergie aneinander gleitender Grenzflächen in Vibrationen innerhalb der Materialien umgewandelt“, wissen Rachel J. Cannara von der University of Wisconsin in Madison und ihre Kollegen von der University of Pennsylvania. Doch wie genau dieser Prozess vor sich geht, ist heute noch ungeklärt. Um die Bedeutung von atomaren Schwingungen im Festkörper zu untersuchen, beschichteten sie hochreine Diamant- und Siliziumproben mit einfachem (H) und schwerem Wasserstoff (Deuterium, D). Diese dienen quasi als Schmiermittel mit exakt den gleichen chemischen Eigenschaften. Allein in ihrem Atomgewicht – Deuterium ist doppelt so schwer wie Wasserstoff – unterscheiden sich beide Beschichtungen.

Für die Messung der Reibungseigenschaften führten die Forscher die Spitze eines Rasterkraftmikroskops an dieser Oberfläche entlang und drückten mit Kräften im Nanonewton-Bereich auf diese. Dabei wirkten Scherkräfte, die empfindlich von der Art der Beschichtung, also von der Masse der Wasserstoff-Isotope, abhängen waren. Dieses Maß für den Reibungswiderstand war bei der Wasserstoff-Beschichtung etwa 26 Prozent größer als bei den Deuterium-Grenzflächen.

Den Grund fanden die Forscher in den Schwingungen an der Grenzschicht aus kovalenten Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen (C-H, bzw. C-D) Die leichteren Wasserstoffatome konnten schneller schwingen (Wellenzahl ~ 2930 cm ^–1) und dabei mehr Bewegungsenergie aufnehmen. Die schwereren und dadurch trägeren Deuterium-Atome dagegen führten zu geringen Schwingungsfrequenzen (Wellenzahl ~ 2160 cm ^–1) und geringere Reibungskräfte konnten wirken. Wie bei den Diamantoberflächen zeigten auch die Siliziumkristalle ein vergleichbares Verhalten.

Diese Messungen sind ein erster Schritt zum Verständnis von Reibungskräften auf atomare Ebene in Abhängigkeit vom Gewicht der Grenzschichtatome. Doch sie zeigen, dass deren Masse wesentlich die Reibung beeinflussen. Mit diesem Wissen könnten nun Nanomaterialien mit entsprechenden Schmiermitteln an ihre Anforderungen angepasst werden. Das wäre ein großer Fortschritt auf dem Gebiet der Nanotribologie, der Reibungslehre für Millionstel Millimeter kleine Objekte.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Rachel J. Cannara et al., Nanoscale Friction Varied by Isotopic Shifting of Surface Vibrational Frequencies, Science, Vol. 318, 780 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1147550
• Unversity of Wisconsin, Madison:
  http://www.wisc.edu
• Department of Physics:
  http://www.physics.wisc.edu
• Unversity of Pennsylvania:
  http://www.upenn.edu
• Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics:
  http://www.me.upenn.edu

Weitere Literatur:

• Cieplak, E. D. Smith, M. O. Robbins, Science 265,1209 (1994).
• Mak, C. Daly, J. Krim, Thin Sol. Films 253, 190 (1994).
• J. Y. Park, D. F. Ogletree, P. A. Thiel, M. Salmeron, Science 313, 186 (2006).
• B. N. J. Persson, Sliding Friction: Physical Principles and Applications (Springer, Berlin, ed. 2, 2000), S. 182–183.