Reibung mesoskopischer Kontaktflächen - Untersuchung durch Manipulation mittels Rasterkraftmikroskopie

• Antragsteller: Dr. Dirk Dietzel
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 261462831

Obwohl im täglichen Leben jeder mit dem Phänomen der Reibung konfrontiert wird, gibt es erst wenige Erfolge im Bemühen, eine exakte physikalische Beschreibung der Reibung zu formulieren. Das allgemein bekannte Gesetz, nach dem die Reibung proportional zur Auflagekraft und unabhängig von der Kontaktfläche ist, gilt zwar erstaunlich gut auf makroskopischer Skala, basiert jedoch auf der Annahme, dass die Reibung proportional zur wahren Kontaktfläche (also der Anzahl von Grenzflächenatomen im Kontakt) ist. Diese einfache Annahme muss aber nach neuesten Erkenntnissen in Frage gestellt werden.Da konventionelle Messmethoden, wie z.B. die Reibungskraftmikroskopie, jedoch ungeeignet für die Analyse mesoskopischer Kontakte sind, haben sich bisherige Untersuchungen zu den Grundlagen der Reibungsphysik zumeist nur auf kleinste Kontakte von wenigen Quadratnanometern Größe konzentriert. Um die aktuellen Fragen zu beantworten, soll daher in diesem Projekt ein neuer Ansatz verfolgt werden, bei dem Nanopartikel mit dem Rasterkraftmikroskop verschoben werden, während simultan die Verschiebekraft erfasst wird. So können Mesokontakte mit atomar definierten Grenzflächen analysiert werden, wobei entscheidende Parameter der Grenzfläche, wie z.B. Kristallinität, Orientierung und Form, experimentell vorgegeben werden können.Die Frage nach den Schlüsselparametern zur Skalierung der Grenzflächenreibung soll durch systematischen Vergleich der Reibung von Partikeln verschiedener Größe und Struktur mit aktuellen theoretischen Modellen beantwortet werden. Diese Modelle sagen u.a. für unterschiedliche Grenzflächenstrukturen eine jeweils charakteristische sublineare Skalierung der Reibung mit der Kontaktfläche voraus, ein Effekt der oft als strukturelle Lubrizität bzw. Superlubrizität bezeichnet wird. Unter Ausnutzung dieser Skalierungsgesetze sollte sich Grenzflächenreibung dann sogar aktiv steuern lassen. Durch gezielte thermische Phasenumwandlung von Nanopartikeln erwartet man z.B. ein Schalten der Reibung um mindestens eine Größenordnung.In einem weiteren Projektteil steht das Verständnis der dynamischen Grenzflächenprozesse im Vordergrund. Dazu sollen erstmals gezielt die elementaren Bewegungsschritte der Nanopartikel auf der Potentiallandschaft des Substrats untersucht werden. Besonders die Temperatur- und Geschwindigkeitsabhängigkeit der resultierenden Stick-Slip Bewegung kann Einblick in dynamische Grenzflächenprozesse liefern.Es ist bekannt, dass schon kleinste Verunreinigungen der Grenzflächen einen großen Einfluss auf die Reibung haben können. Daher sollen die Experimente im Ultrahochvakuum durchgeführt werden. Zudem soll aber auch der Einfluss kontrollierter Grenzflächenkontamination untersucht werden, was besonders aus technologischer Sicht wichtig ist, da bei realen Systemen immer eine gewisse Kontamination vorliegt. Von solchen Untersuchungen erwarten wir u.a. Aufschluss darüber, in wieweit superlubrische Reibung in realen Anwendungen erreicht werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Slowakei, Spanien, USA
• Beteiligte Personen: Professor Enrico Gnecco, Ph.D.; Professor Dr. Udo Schwarz; Professor Dr. Ivan Stich