Mehrfachkontaktreibung an laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS)

• Antragsteller: Professor Dr. Gianaurelio Cuniberti, seit 8/2021; Professor Dr.-Ing. Frank. A. Müller
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454915637

Das Projekt befasst sich mit einem grundlegenden Problem der Materialwissenschaften, indem es einen Zusammenhang zwischen den stofflichen und geometrischen Eigenschaften zweier Festkörperoberflächen und den kinetischen Reibungsschwankungen, der aus der Reibung der betreffenden Oberflächen unter trockenen Bedingungen resultiert, herstellt. Zu diesem Zweck werden wir modernste Präparations- und Charakterisierungsmethoden wie die Bearbeitung von Materialoberflächen mit ultrakurzgepulsten Lasern und Reibungsuntersuchungen auf der Nano-Ebene mittels fortschrittlicher Rasterkraftmikroskopie (AFM) einsetzen. Laser-induzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS) mit unterschiedlichen Perioden, Orientierungen und Komplexitätsgraden bilden die Grundlage für Reibungskraftmessungen mit kolloidalen Proben als Gleitpartner. Zu den im Rahmen des Projekts behandelten Materialien gehören Metalle (Edelstahl), Gläser (Quarzglas), Polymere (PDMS, PVS, PMMA) und Graphit (HOPG), die es ermöglichen, eine umfangreiche Datensätze von Reibungskraftsignalen zu erfassen und zu analysieren. Aufgrund der Komplexität des Problems (mit Millionen von Atomen in den kontinuierlich aufgebrochenen und neu gebildeten Kontaktflächen) werden wir Phänomene auf molekularer Ebene vernachlässigen und stattdessen die beiden Körper als Kontinuum behandeln, um so von einer statistischen Charakterisierung (a) der Oberflächeneigenschaften (Morphologie, Steifigkeit und Haftung) vor der Kontaktaufnahme und (b) der zeitlichen Entwicklung der Reibung unter verschiedenen Lastbedingungen ausgehen zu können. Die ersten Untersuchungen dienen hierbei als Input für numerische Simulationen, die auf der kürzlich von B.N.J. Persson entwickelten Kontakttheorie basieren. Diese Theorie ermöglicht es, die reale Kontaktfläche entsprechend einer gegebenen Normalkraft aus der spektralen Leistungsdichte der Oberflächenrautiefe vorherzusagen. In einer zweiten Datenreihe werden die erzielten Ergebnisse mit den aus dem Burridge-Knopoff-Modell zur Dynamik von Erdbeben abgeschätzten Reibungskraftschwankungen verglichen. Dieses Pioniermodell betrachtet eine Reihe von Blöcken, die durch Federn verbunden sind und gemeinsam (elastisch) von einem größeren Objekt gezogen werden, das eine tektonische Platte simuliert. In unserem Fall entsprechen die Blöcke den Kontaktflächen und die Federn stellen die Steifigkeiten der "Brücken" dar, die beide Flächen verbinden. Hierbei repräsentiert die mit dem AFM-Cantilever gekoppelte kolloidale Probe die sich bewegende Platte dar. Dadurch erhält man ein komplexes Muster sich überlappender Stick-Slip-Phasen, deren Mittelwert geteilt durch die aufgebrachte Normallast, den Reibungskoeffizienten ergibt. Dieses Vorgehen ermöglicht mögliche Abweichungen von der Amonton-Theorie zu testen, die kürzlich in der Literatur diskutiert wurden, und kann auch wichtige multidisziplinäre Anwendungen finden, z. B. bei der Entwicklung von künstlichen taktilen Sensoren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Enrico Gnecco, Ph.D., bis 7/2021