Quantifizierung der Phononen-Beiträge zur Reibung auf atomarer Skala (2. Phase)

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Alfred John Weymouth
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575917256

Der Klimaschutzplan 2050 beschreibt die Strategie Deutschlands zur Begrenzung des globalen Temperaturanstiegs, wobei eine gesteigerte Energieeffizienz eine zentrale Rolle spielt. Ein grundlegender, aber bisher wenig erforschter Aspekt der Energieeffizienz ist das Phänomen der Reibung. Eine vollständige Beschreibung der Reibung erfordert das Verständnis von Wechselwirkungen auf atomarer Skala. In der ersten Phase dieses Projekts untersuchten wir den phononischen Beitrag zur Reibung auf atomarer Ebene, indem wir die Energiedissipation verglichen, die auftritt, wenn ein einzelnes Atom über Wasserstoff- (H-) oder Deuterium- (D-) terminierte Oberflächen gleitet. Während frühere experimentelle Arbeiten auf einen deutlichen Unterschied hindeuteten, stellten theoretische Studien diese Ergebnisse infrage und führten die beobachteten Effekte auf lokale Defekte anstelle intrinsischer phononischer Effekte zurück. Mit Hilfe der lateralen Kraftmikroskopie (LFM) und Zugang zu Oszillationsamplituden, die kleiner als der atomare Abstand sind, konnten wir die Energiedissipation über H- und D-terminierten Oberflächen erfolgreich messen. Allerdings waren die Ergebnisse aufgrund von Variationen in der Spitzenstruktur zwischen den Messungen nicht eindeutig vergleichbar. Die zweite Phase wird diese Einschränkung überwinden, indem atomar kontrollierte Spitzen eingesetzt werden, die präzise und reproduzierbare Messungen ermöglichen. Dabei werden wir fortschrittliche Methoden zur Spitzencharakterisierung nutzen, die in Phase 1 entwickelt wurden, um eine hohe Konsistenz der Experimente sicherzustellen. Das Ergebnis dieser Forschung wird nicht nur die umstrittene Rolle phononischer Beiträge zur Reibung klären, sondern auch eine robuste Methodik zur Quantifizierung aller Dissipationskanäle auf atomarer Skala, einschließlich elektronischer Beiträge, etablieren. Dieses Wissen wird den Weg für maßgeschneiderte Materialien mit optimierten Reibungseigenschaften ebnen und so zur Steigerung der Energieeffizienz in zahlreichen technologischen Bereichen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Österreich
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Franz J. Giessibl
• Kooperationspartner: Professor Dr. Oliver T. Hofmann; Dr. Lukas Hörmann