Wie Reibungskräfte auf atomarer Ebene wirken

9. Juli 2015, 15:18
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Österreichische Physiker modellieren Reibung zwischen Oberflächen auf der Größenskala von Nanometern

Wien – Die grundlegenden Gesetze der Reibung sind bereits mehrere hundert Jahre alt: Es war Leonardo da Vinci, der als Erster feststellte, dass die Reibung umso größer wird, je höher die Last ist und damit das erste fundamentale Gesetz der Reibungslehre formulierte.

Mithilfe von Computersimulationen haben österreichische Physiker nun die Anwendbarkeit dieser Gesetze auf atomarer Ebene untersucht und dabei überraschenderweise ganz ähnliche Zusammenhänge gefunden, berichten die Forscher im Fachblatt "Physical Review Letters".

Auf atomarer Ebene

Um das Verständnis solcher Effekte zu vertiefen, ist es jedoch notwendig, die Vorgänge auf atomarer Ebene zu untersuchen. Dazu haben Forscher des Exzellenzzentrums für Tribologie AC2T research GmbH in Wiener Neustadt (NÖ) und der Technischen Universität (TU) Wien Computersimulationen entwickelt, mit deren Hilfe man die Reibung zwischen Oberflächen auf der Größenskala von Nanometern modellieren kann.

"Wir simulieren das Verhalten von Nanopartikeln, die entlang einer Oberfläche bewegt werden und dabei durch Abnutzung deren Form verändern", erklärt Andras Vernes, Koautor der Studie. "Das entspricht in etwa den Vorgängen beim Polieren einer Metalloberfläche mit Schleifpapier." Die Simulation berücksichtigt sämtliche Wechselwirkungen zwischen den Atomen sowie deren zeitlichen Verlauf aufgrund der Abnutzung. Wie sich dabei herausstellte, ist die effektive Kontaktfläche zwischen den Nanoobjekten der entscheidende Faktor: Sie ist das Maß für die Anzahl der Atome, die miteinander wechselwirken und somit Reibung verursachen.

Mikroskopisch wie makroskopisch

Da die effektive Kontaktfläche proportional mit der Last, also der Kraft, mit der die Partikel auf die Oberfläche gepresst werden, zunimmt, ergibt sich auch für Last und Reibung ein linearer Zusammenhang – genau wie es einst da Vinci an makroskopischen Objekten beobachtet hat. "Dass dieses recht einfache Bild tatsächlich auf mikroskopischer Skala seine Gültigkeit behält, ist überraschend", so Stefan Eder, Erstautor der Studie. "Mikroskopische Berechnungen dieser Vorgänge geben uns nun auch die Möglichkeit, kompliziertere Fälle zu verstehen, die sich nicht mit einem so einfachen Zusammenhang zwischen Last und Reibkraft erklären lassen."

Gemeint ist damit etwa die Rasterkraftmikroskopie, bei der die Spitze einer feinen Nadel über eine zu untersuchende Oberfläche gezogen wird. Hier gibt es im Idealfall nur einen einzigen atomaren Kontaktpunkt, wodurch der lineare Zusammenhang zwischen Last und Reibkraft verloren gehen kann. Da die Simulation jedoch die tatsächliche Wechselwirkung zwischen den äußersten Atomen berücksichtigt, sollte es mit ihrer Hilfe möglich sein, auch für diesen Spezialfall die Reibung zu berechnen. (APA/red, 9. 7. 2015)

  • Eine zufällig geformte Oberfläche vor dem Schleifprozess (oben) und nach dem Reibungsvorgang (unten):
    illustration: tu wien

    Eine zufällig geformte Oberfläche vor dem Schleifprozess (oben) und nach dem Reibungsvorgang (unten):

  • Artikelbild
    illustration: tu wien
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