Schmiermittel brauchen Platz
Zwischen eng aneinander liegenden Flächen verwandeln sich Flüssigkeiten in Glas.
Oberflächen sind nie ganz glatt, sondern weisen keilartige Geometrien auf. Das führt zwischen zwei Oberflächen zur Reibung. Um Reibung zu vermeiden, bedarf es eines Schmiermittels. Die Eigenschaften solcher Schmiermittel hängen dabei vom Platz zwischen den Flächen ab, wie Untersuchungen eines Forscherteams des MPIs für Eisenforschung sowie der Universitäten Bochum, Innsbruck, Erlangen und Tübingen zeigen.
Abb.: Mikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines Stahlbleches. Die keilartige Geometrie der Rauigkeit ist leicht zu erkennen. Treffen zwei solcher Oberflächen aufeinander, so entsteht eine Vielzahl keilförmiger Zwischenräume. Diese Zwischenräume bestimmen maßgeblich die Eigenschaften verwendeter Schmiermittel. (BIld: MPIE)
Mithilfe von Computersimulationen und theoretischen Analysen untersuchte das Team Flüssigkeiten zwischen zwei angrenzenden parallelen harten Platten. Die Eigenschaften einer so eingegrenzten Flüssigkeit hängen, so zeigte sich, stark vom Plattenabstand ab, wenn dieser nur wenige Teilchen umfasst. Im Falle amorpher Materialien kann die durch die Platten verursachte geometrische Einschränkung zu einem Übergang von einem flüssigen in einen festen und brüchigen Zustand führen. Bei einer weiteren Verringerung des Abstands kehrt sich der Prozess um und man erhält wieder eine Flüssigkeit. Diese Um- und Rückwandlung ist wiederholbar und hängt sowohl vom Plattenabstand als auch vom äußeren Druck ab. Materialien, die solche Phasenumwandlungen durchlaufen, sind Gläser.
Die Forschungsarbeit zeigt erstmals, dass bei keilartigen Geometrien flüssige und glasartige Phasen gleichzeitig nebeneinander existieren, wenn der externe Druck hoch genug ist. Mittels moderner Computersimulationen konnten die Forscher Aussagen über Zwischenräume von nur wenigen Teilchenlagen treffen, was besonders interessant für Anwendungen in der Mikro- und Nanotechnologie ist. Während die Untersuchung extrem kleiner Zwischenräume früher dadurch begrenzt war, dass sich Flüssigkeiten bei einer derart starken Begrenzung kristallisieren, konnten die Wissenschaftler dieses Problem durch die Einführung verschiedener Partikelgrößen überwinden.
„Die theoretischen Erkenntnisse unserer Forschungsarbeit öffnen den Weg für neuartige Anwendungen im Maschinenbau, in der Nanotechnologie, und sogar im medizinischen Bereich, zum Beispiel für Endoprothesen“, erläutert Fathollah Varnik von der Ruhr-Universität Bochum. Die Berücksichtigung der Reibungsprozesse könne über die Verringerung von Verschleiß und Abrieb zu Energieeinsparungen und längeren Lebensdauern bei Maschinen und Geräten führen.
MPIE / RK
