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21.05.2013 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

Forscher haben neue Art der Reibung entdeckt

Autor:
Angelina Hofacker

Ob Fahrzeuggetriebe oder winzige Sensoren für das Auslösen von Airbags: um Energieverlust und Materialverschleiß zu verhindern, müssen die jeweiligen Einzelteile reibungsarm gegeneinander gleiten. Bei der Untersuchung des Reibungsverhaltens von Systemen im Nanometerbereich haben Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) eine bislang unbekannte Art der Reibung entdeckt, die sogenannte Desorptionshaftung.

In verschiedenen Lösungsmitteln untersuchten die Forscher um die Professoren Dr. Thorsten Hugel und Dr. Alexander Holleitner wie und warum Polymermoleküle auf bestimmten Oberflächen haften oder gleiten. Ziel war, grundlegende physikalische Gesetzmäßigkeiten auf der molekularen Skala zu verstehen, um gezielt reibungsmindernde Oberflächen und passende Schmiermittel entwickeln zu können. Für ihre Studien befestigten die Wissenschaftler das Ende eines Polymermoleküls an der Nanometer feinen Spitze eines hochempfindlichen Rasterkraftmikroskops (AFM). Während sie es über die Testoberflächen zogen, maß das AFM die daraus resultierenden Kräfte. Aus diesen Kräften konnten sie das Verhalten des Polymerknäuels ableiten, beschreiben die Münchner Wissenschaftler ihr Vorgehen. Bei den meisten Versuchen seien die beiden erwarteten Reibungsmechanismen Haften und Gleiten aufgetreten. Bei bestimmten Kombinationen von Polymer, Lösungsmittel und Oberfläche jedoch habe sich das System anders verhalten. "Das Polymer haftet dabei zwar an der Oberfläche, aber der Polymerstrang kann ohne nennenswerte Kraft aus dem Knäuel in die umgebende Lösung gezogen werden", erläutert Experimentalphysiker Hugel dieses Verhalten. Die Ursache sei vermutlich eine sehr geringe interne Reibung innerhalb des Polymerknäuels.

Die Desorptionshaftreibung hänge nicht von der Geschwindigkeit, der Auflagefläche des Polymers oder der Haftkraft des Polymers ab. Entscheidend seien stattdessen vor allem die chemische Natur der Oberfläche und die Qualität des Lösungsmittels. So zeige zum Beispiel das hydrophobe Polystyrol, in Chloroform gelöst, ein reines Gleitverhalten, in Wasser aber Desorptionshaftung. Das gewonnene Verständnis über den unerwartet starken Einfluss der chemischen Terminierung der Oberfläche und des Lösungsmittels eröffne neue Wege zur Reibungsminimierung. Diese Faktoren könnten damit wichtige Stellschrauben für das Erreichen der sogenannten Superlubricity (geringste Reibungskoeffizienten) sein, die bislang unterschätzt wurden, erläutert Professor Hugel die Erkenntnisse der Forscher. Auf Grundlage der bisherigen Forschungsergebnisse gelte es nun im nächsten Schritt, neue Paarungen von Oberfläche und Schmiermittel zu finden, die diesen Effekt positiv ausnutzen. "In Zukunft könnten mit gezielt hergestellten Polymeren neue Oberflächen speziell für den Nano- und Mikrometer Bereich entwickelt werden", bekräftigt Professor Holleitner.

Die Arbeit der TUM-Wissenschaftler wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und den Exzellenzcluster Nanosystems Initiative München (NIM) unterstützt.

Ihre bisherigen Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in "Reibungsmechanismen auf der Nanoskala an Fest-flüssig-Grenzflächen" von Bizan N. Balzer, Dr. Markus Gallei, Moritz V. Hauf, et al., early view, 7. Mai 2013, in: Angewandte Chemie (DOI: 10.1002/ange.201301255).

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