Nanotribologie: Vibrationen reduzieren Reibung auf atomarer Ebene

Reibung und Abrieb treten in allen Maschinen und bewegten Teile auf. Die Kosten für Schmiermittel und Verschleiß bewegen sich weltweit fast im Billionen-Euro-Bereich. Zwei Forscherteams entwickelten nun Messmethoden, wie sich Reibungseffekte auf atomarer Ebene messen und sogar verringern lassen.

Basel (Schweiz )/Berkeley (USA) - In nanostrukturierten Modulen dominieren die Oberflächen, zwischen denen es zu Kontakten kommt, signifikant über die inneren Festkörperbereiche. So spielen Reibungseffekte hier sogar eine noch größere Rolle als bei greifbaren Getrieben oder Zahnrädern. Heute verhindert hoher Verschleiß bei so genannten nanoelektromechanischen Modulen eine wirtschaftliche und weitestgehend wartungsfreie Anwendung. Doch die neuen Ergebnisse, über die die Wissenschaftler in der Zeitschrift "Science" schreiben, versprechen Fortschritte auf dem Feld der Nanotribologie.

So haben Ernst Meyer und seine Kollegen von der Universität Basel einen effizienten Weg gefunden, um die Reibungseffekte auf atomarer Ebene an und aus zu schalten. Dazu analysierten sie die Bewegungen und die Reibungskräfte zwischen der Spitze eines Reibungs-Kraft-Mikroskops und glatten Kristalloberflächen aus Natriumchlorid (Kochsalz) und Kaliumbromid. Treten hier bisher Kräfte im Nanonewton-Bereich auf, konnten diese um das hundertfache bis auf wenige Piconewton reduziert werden. Die Ursache liegt in winzigen Vibrationen der Mikroskopspitze, die so leichter über die nanostrukturierte Oberfläche gleiten konnte.

Damit werden elastische Verformungen der Kristallstrukturen an der Oberfläche vermieden. Erste Messungen zeigten, dass sich der Reibungswiderstand bei Kaliumbromid bei Vibrationssfrequenzen von 20,4 und 40,9 Kilohertz deutlich verringerte. Der Grund liegt in der exakten Synchronisation der Schwingungen mit der periodischen Oberflächenstruktur. Die Mikroskopspitze wich so gezielt den etwas höher stehenden Kristallstrukturen aus, so dass die elastischen Verformungen weitestgehend vermieden werden konnten.

Neben dieser mechanischen Kontrolle konnten amerikanische Physiker von der University of California in Berkeley eine elektronische Kontrolle der Reibungskräfte auf der Nanoebene verwirklichen. Sie führten mit einer konstanten Tastgeschwindigkeit die Titannitrid-Spitze eines Atomkraftmikroskops über eine Siliziumfläche. Diese wurde so bearbeitet, dass sie abwechselnd n- und p-dotierte Zonen aufwies. Unter einer positiven Spannung von vier Volt gesetzt, flossen in den p-Regionen Ströme von etwa 50 Mikroampère, in n-Bereichen aber lediglich 5 Mikroampère. Simultan variierten damit die Konzentrationen an elektrischen Ladungsträgern im Kontaktbereich. Diese Unterschied führten mal zu höheren, mal zu niedrigeren messbaren Reibungswiderständen.

Ein möglichst wartungsfreier Betrieb von mikro- und nanoelektromechanischen Modulen (MEMS, NEMS) ist das Ziel dieser Forschungen im Bereich der Nanotribologie. Damit könnte der wirtschaftliche Durchbruch dieser vielseitigen Geräte erleichtert werden.