Nanoteilchen gleiten nahezu reibungsfrei

In der Nanowelt kann Reibung zwischen zwei ungeschmierten Festkörpern so klein werden, dass sie sich kaum messen lässt. Diesen 1991 von Theoretikern vorhergesagten Effekt der sogenannten Supraschmierfähigkeit haben Forscher um Dirk Dietzel von der Universität Gießen nun im Experiment nachgewiesen. Bisher wurde reibungsfreies Gleiten nur zwischen zwei Flächen aus dem Material Graphen beobachtet – einem zweidimensionalen Kohlenstoffgitter mit einer bienenwabenartigen Struktur. Die Forscher stellen ihre Arbeit im Fachblatt „Physical Review Letters“ vor. Ihre Erkenntnisse könnten dazu beitragen, das makroskopische Phänomen Reibung mit atomaren Gesetzmäßigkeiten zu verknüpfen.

Die Oberfläche eines Festkörpers ist nicht völlig ebenmäßig. Bei näherer Betrachtung ragen aus ihr winzige Spitzen empor, wie bei einer rauen Gebirgslandschaft. Gleitet zum Beispiel ein Holzklotz über einen Fußboden, so treffen gleich zwei solcher Gebirge aufeinander. Die Gebirgsspitzen haken ineinander, drücken einander zur Seite und bremsen die Bewegung, sodass Energie verlorengeht. Auf der Ebene weniger Atome ist das Verhältnis zwischen der rauen Berührfläche und dem Objekt selbst sogar noch größer. Die Lageenergie der einzelnen Atome, die in Bergen und Tälern verläuft, wirkt auf die Atome des darüber hinweg gleitenden Materials wie eine Aneinanderreihung von Barrieren. Forscher erwarten daher, dass beim Reiben einiger weniger Teilchen sogar stärkere Reibungsverluste auftreten als bei größeren Objekten.

Oberes Bild: eine Graphitoberfläche, darauf gesprenkelt Antimon-Nanoteilchen als helle Flecken. Darüber die helle, dreieckige Spitze des Rasterkraftmikroskops, die eines der Nanoteilchen berührt. Unteres Bild: Eine Kette von Atomen stellt die untere Grenzfläche dar. Darüber die Kurve der Lageenergie mit ihren Bergen und Tälern, sowie Ketten aus ein, zwei und drei Atomen, die für die obere Grenzfläche stehen. Je länger die Atomketten, desto weniger dringen sie in die Energietäler ein.
Gleitreibung von Nanoteilchen

Sind die Atome oben wie unten in der gleichen Struktur angeordnet, ändert sich die Reibung im gleichen Verhältnis wie die Kontaktfläche. Dies entspricht dem Reibungsgesetz unserer makroskopischen Alltagswelt. Reiben jedoch Festkörper mit verschiedenen Atomstrukturen aneinander, dringen die Atome der oberen Grenzfläche nicht so tief in die Täler des Energiegebirges ein und können besser über sie hinweggleiten, ohne dass die Atome zur Seite gestoßen werden. „Wenn man die Kontaktfläche vergrößert, wird der Versatz zwischen den Oberflächen stärker“, erklärt André Schirmeisen von der Universität Gießen. Die Reibung sollte folglich nicht im gleichen Verhältnis wie die Kontaktfläche, sondern weniger stark ansteigen, wenn man die Kontaktfläche vergrößert.

Schirmeisen und seinen Kollegen ist es gelungen, diesen sogenannten sublinearen Zusammenhang im Experiment nachzuweisen. Dazu ließen sie Nanoteilchen, die aus wenigen bis mehreren tausend Antimon- oder Goldatomen bestanden, auf einer Graphitoberfläche wachsen. Die Kantenlänge der Nanoteilchen betrug dabei zwischen rund 45 und 450 Nanometer. Mit der feinen Spitze eines Rasterkraftmikroskops schoben sie die Nanoteilchen mit konstanter Geschwindigkeit auf der Graphitfläche entlang und vermaßen die Reibungskraft.

Die Ergebnisse legen nahe, dass Reibung mit einfachen geometrischen Argumenten begründet werden kann, ohne komplexe atomare Wechselwirkungen anführen zu müssen. Neben einem besseren theoretischen Verständnis könnten die Arbeiten auch dazu beitragen, reibungsarme Materialkontakte für Geräte zu entwickeln.