Hin zu einem Verständnis der Reibung auf Elektrodenoberflächen auf atomarer Skala

• Antragsteller: Professor Dr. Helmut Baltruschat
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 288879147

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Reibung ist eine der Hauptursachen energetischer Verluste. In diesem Projekt haben wir Reibung auf atomarer Ebene mittels lateraler Kaftmikroskopie für verschiedene Systeme (Kupfer-, Silber- und Iodmonolagen sowie einer Lipidschicht, sowohl in wässrigem als auch aprotischen Elektrolyten) als Funktion des Potentials an einer Au(111) Einkristalloberfläche untersucht. Atomare Auflösung konnte routinemäßig erhalten werden; für niedrige Normalkräfte ergaben sich Strukturen wie sie beispielsweise für die Adsorbate zuvor schon mit Rastertunnelmikroskopie erhalten wurden. Bei hohen Normalkräften änderte sich die erhaltene Struktur zu der des darunterliegenden Metalls, was auf eine Durchdringung der Spitze zumindest durch die äußere Adsorbatschicht schließen lässt. Generell ist die Reibung (bzw. der Reibungskoeffizient) niedrig bei hohen Potentialen, bei denen keine Metallschicht adsorbiert ist, oder bei niedrigen Potentialen, bei denen die Metallschicht so stark adsorbiert ist, dass keine Durchdringung durch die Spitze möglich ist. Wenn die Spitze bei hohen Normalkräften die Adsorbatschicht durchdringt, führt dies zu einem sehr starken Anstieg der Reibung, was zeigt dass die Energiedissipation bei der Reibung durch die Verdrängung bzw. spitzeninduzierte Desorption des Adsorbates beim Rastern verursacht wird. Stufen in Kraft-Abstandsmessungen weisen klar auf eine Verdrängung von Lösemittelmolekülen und solvatisierten Ionen von der Oberfläche hin oder auch auf eine Kompression der Lipidschicht. Eine Verdrängung stark adsorbierter Atome war unter statischen Bedingungen, also ohne Lateralbewegung, nicht möglich; offensichtlich ist auch eine Scherkraft zur Verdrängung nötig.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Friction at electrode surface in aprotic electrolytes: Effect of adsorbates and potential, International Nanotribology Forum, 13.01.2020 ~ 17.01.2020, ChiangRai, Thailand.
  I. Park & H. Baltruschat
  
• Friction at electrode surface: Effect of adsorbates and potential, 71st Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, 31.08.2020 ~ 01.09.2020, virtual meeting.
  I. Park & H. Baltruschat
  
• Atomic-scale friction study: Underpotential deposition (UPD) of silver on I-modified Au(111) in aprotic electrolyte, 116th AGEF symposium: Triboelectrochemistry, 22.09.2021~ 24.09.2021, Bonn, Germany.
  I. Park & H. Baltruschat
  
• Atomic-scale friction study: Underpotential deposition (UPD) of silver on I-modified Au(111) in aprotic electrolyte, Friction 2021, 18.11.2021~19.11.2021, virtual meeting.
  I. Park & H. Baltruschat
  
• In situ friction study of Ag Underpotential deposition (UPD) on Au(111) in aqueous electrolyte. ChemPhysChem, 22(10), 952-959.
  Park, Inhee & Baltruschat, H.
  
• Sulfate adsorption on Au(111) electrodes – Influence of the potential on the force distance curves, 116th AGEF symposium: Triboelectrochemistry, 22.09.2021~ 24.09.2021, Bonn, Germany
  Andreas Köllisch & H. Baltruschat
  
• Atomic-Scale Friction Study by EC-AFM: Underpotential Deposition (UPD) of Ag on I-Modified Au(111) and Its Tip Penetration. Journal of The Electrochemical Society, 169(12), 122501.
  Park, Inhee & Baltruschat, H.
  
• Atomic-Scale Friction Study: Underpotential Deposition (UPD) of Silver on I-Modified Au(111) in Aprotic Electrolyte (E02-1179), 241st ECS Meeting | 29.05 – 02.06. 2022, Vancouver, BC, Canada
  I. Park & H. Baltruschat
  
• Atomic-scale friction study: Underpotential deposition (UPD) of silver on I-modified Au(111) in aqueous and aprotic electrolytes, Gordon Research Conference Tribology (GRS), 25.06.2022~26.06.2022, Lewiston, USA.
  I. Park & H. Baltruschat
  
• Atomic-scale friction study: Underpotential deposition (UPD) of silver on I-modified Au(111) in aqueous and aprotic electrolytes, Gordon Research Conference Tribology, 26.06.2022~01.07.2022, Lewiston, USA.
  I. Park & H. Baltruschat
  
• Friction on I‐Modified Au(111) in a Tetraglyme Electrolyte. ChemElectroChem, 9(9).
  Park, Inhee; Hausen, Florian & Baltruschat, Helmut
  
• Atomic-Scale Tribology: Influencing Friction by Electrode Potential and Monolayers, 74th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, 03.09. – 08.09.2023, Lyon, France,
  Helmut Baltruschat, Inhee Park & Andreas Koellisch-Mirbach
  
• 1 The Electrochemistry of Sodiumdodecylsulfonate on Au(111) in sulfuric acid – Voltammetry, Adsorbate structure and Friction. American Chemical Society (ACS).
  Koellisch‐Mirbach, Andreas; Park, Inhee & Baltruschat, Helmut
  
• The Effect of Monolayers on Atomic-scale Friction in Aprotic Electrolytes: Underpotential Deposition (UPD) of Silver on I-modified Au(111). American Chemical Society (ACS).
  Park, Inhee; Hausen, Florian & Baltruschat, Helmut