Schmiermittel für Nanowerkstoffe

Auch in der Nanowelt treten Reibungskräfte auf und müssen für den Aufbau zukünftiger Nanomaschinen beachtet werden. Wissenschaftler haben nun die Reibungsphänomene auf atomarer Ebene analysiert.

Madison (USA) - Wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, spielt das Schwingungsvermögen hauchdünner Grenzschichten dabei eine zentrale Rolle.

"Durch Reibung wird die Bewegungsenergie aneinander gleitender Grenzflächen in Vibrationen innerhalb der Materialien umgewandelt", wissen Rachel J. Cannara von der University of Wisconsin in Madison und ihre Kollegen von der University of Pennsylvania. Doch wie genau dieser Prozess vor sich geht, ist heute noch ungeklärt. Daher beschichteten sie hochreine Diamant- und Siliziumproben mit einfachem und schwerem Wasserstoff (Deuterium). Diese dienen quasi als Schmiermittel mit exakt den gleichen chemischen Eigenschaften. Allein in ihrem Atomgewicht, Deuterium ist doppelt so schwer wie Wasserstoff, unterscheiden sich beide Beschichtungen. Das hat große Auswirkungen auf das Reibungsverhalten.

Für die Messung der Reibungseigenschaften führten die Forscher die Spitze eines Rasterkraftmikroskops an dieser Oberfläche entlang. Dabei war der Reibungswiderstand bei der Wasserstoff-Beschichtung etwa 30 Prozent größer als bei den Deuterium-Grenzflächen. Den Grund fanden die Forscher in den Schwingungen an der Grenzschicht. Die leichteren Wasserstoffatome konnten schneller schwingen und dabei mehr Bewegungsenergie aufnehmen. Die schwereren und dadurch trägeren Deuterium-Atome dagegen führten zu geringen Schwingunsfrequenzen und geringere Reibungskräfte konnten wirken.

Diese Messungen sind ein erster Schritt zum Verständnis von Reibungskräften auf atomarer Ebene in Abhängigkeit vom Gewicht der Grenzschichtatome. Doch sie zeigen, dass das Gewicht die Reibung wesentlich beeinflusst. Mit diesem Wissen könnten nun Nanomaterialien mit entsprechenden Schmiermitteln an ihre Anforderungen angepasst werden. Das wäre ein großer Fortschritt auf dem Gebiet der Nanotribologie, der Reibungslehre für millionstel Millimeter kleine Objekte.