Phasenübergänge in der Nanoreibung

• Antragsteller: Dr. Dirk Dietzel
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471451947

Ein wichtiger Aspekt für das grundlegende Verständnis von Reibung ist das Wissen um die Mechanismen, mit denen Bewegungsenergie dissipiert, d.h. in Wärme umgewandelt wird. Bei der mikroskopischen Betrachtung dieses Problems ist dabei vor allem die Wechselwirkung der sogenannten Asperitäten von entscheidender Bedeutung, die gemeinhin als fundamentalste Bausteine realer Grenzflächen angesehen werden. Mit den Methoden der Rasterkraftmikroskopie lassen sich dann in Laborversuchen idealisierte Modellsysteme betrachten, die das nanoskalige Reibungsverhalten einzelner Asperitäten experimentell zugänglich machen.In dieser Konfiguration lassen sich Reibungswerte zwar quantitativ bestimmen, aber die Identifizierung von Dissipationsmechanismen bleibt eine Herausforderung. Eine neue Möglichkeit, diese Problematiken zu adressieren ist die Untersuchung von Reibungsphänomenen über Phasenübergänge hinweg. Phasenübergänge stellen in der Festkörperphysik typischerweise ein intensives Forschungsfeld dar und entsprechend sind die Effekte beim Phasenübergang für viele Materialien bereits gut erforscht. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Eigenschaften der Materialien über einen einfachen externen Kontrollparameter, wie z.B. die Temperatur, definiert zu ändern und so Änderungen in den Energiedissipationskanälen eindeutig zuzuordnen. Besonders anschaulich wird dieser Ansatz im Fall der sog. elektronischen Reibung, bei der es um die Frage geht, wie das Elektronensystem im Festkörper die Reibung beeinflusst. Hier können z.B. Supraleiter untersucht werden, bei denen unterhalb der Sprungtemperatur der Widerstand auf null abfällt und sich reibungsrelevante Effekte wie z.B. die Elektron-Phonon-Kopplung signifikant ändern.Darüber hinaus können auch strukturelle Phasenübergänge untersucht werden, bei denen die Rasterkraftmikrokopie als eine Art mechanische Spektroskopie an die Umordnungsprozesse im Material ankoppeln kann. Auch hier können einerseits wieder generelle Energiedissipationsmechanismen von Interesse sein, während gleichzeitig auch die Phasenübergänge selbst analysiert werden können.Trotz des Potentials dieser Methoden sind Phasenübergänge in der Nanotribologie bislang aller-dings nur sehr wenig erforscht worden, da insbesondere temperaturabhängige AFM-Messungen eine besondere Herausforderung darstellen. Daher konnten selbst die grundlegenden Unterschiede zwischen Phasenübergängen erster und zweiter Ordnung bislang noch nicht experimentell charakterisiert werden. Insgesamt adressiert dieses Projekt somit sehr grundlegende Fragestellungen der Nanotribologie und der experimentelle Ansatz bietet darüber hinaus zusätzlich noch die Möglichkeit zu einer ortsaufgelösten Charakterisierung der Phasenübergangseffekte auf der Nanometerskala.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen