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16.12.2013 | Maschinenelemente | Im Fokus | Onlineartikel

Reibung im Nanokosmos

Autor:
Dieter Beste

In der Nähe von Ladungsdichtewellen konnten Forscher einen durch Reibungseffekte verursachten starken Energieverlust beobachten. Diese Entdeckung könnte praktische Bedeutung für die Kontrolle von Reibung im Nanometerbereich haben.

Seit den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts haben Kontaktmechanik und Reibungsphysik eine Wiedergeburt erlebt, schreibt Springer-Autor Valentin L. Popov in der Einleitung zu „Kontaktmechanik und Reibung“ (Seite 7). Die Entwicklung experimenteller Methoden zur Untersuchung von Reibungsprozessen auf atomarer Ebene (Atomkraftmikroskop, Friction-Force-Mikroskop, Quartz-Kristall-Mikrowaage, surface force apparatus) und numerischer Simulationsmethoden haben, so Popov, in dieser Zeit ein schnelles Anwachsen der Anzahl von Forschungsarbeiten im Bereich der Reibung von Festkörpern hervorgerufen. Auch die Entwicklung der Mikro- und Nanotechnologie habe wesentlich zum großen Interesse an der Kontaktmechanik und Reibungsphysik beigetragen.

Niob und Selen unter dem Rasterkraftmikroskop

In der Nanotechnologie will man Reibung kontrollieren. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität Basel konnte nun in der Nähe von Ladungsdichtewellen einen starken Energieverlust beobachten, der durch Reibungseffekte verursacht wird. Dies könnte praktische Bedeutung für die Kontrolle von Reibung im Nanometerbereich haben.

Für ihr Experiment ließen die Wissenschaftler um den Basler Experimentalphysiker Ernst Meyer die nanometerfeine Spitze eines Rasterkraftmikroskops über die Oberfläche einer Schichtstruktur aus Niob- und Selen-Atomen vibrieren. Diese Verbindung verwendeten sie aufgrund ihrer besonderen elektronischen Eigenschaften; insbesondere bilden sich darin bei extrem tiefen Temperaturen sogenannte Ladungsdichtewellen. Dadurch sind die Elektronen nicht mehr wie in einem Metall gleichmäßig verteilt, sondern es bildet sich Gebiete, in denen die Elektronendichte zwischen hoch und tief schwankt. In der Nähe solcher Ladungsdichtewellen registrierten die Forscher sehr hohe Energieverluste zwischen der Oberfläche und der Spitze des Rasterkraftmikroskops, selbst bei relativ großen Abständen von mehreren Atomdurchmessern. „Der Energieabfall war so stark, als wäre die Spitze plötzlich in eine zähe Flüssigkeit geraten“, beschreibt Meyer den Reibungseffekt.

Energieverluste in der Nähe von Ladungsdichtewellen

Diese Energieverluste konnten die Forscher nur bei Temperaturen unterhalb 70 Kelvin (-203 °C) beobachten. Da Ladungsdichtwellen bei höheren Temperaturen nicht existieren, werteten sie dies als Indiz dafür, dass Reibungskräfte zwischen Messnadel-Spitze und Ladungsdichtewellen die Energieverluste verursachen. Das theoretische Modell zeigt, dass die hohen Energieverluste durch eine Serie von lokalen Phasenverschiebungen der Ladungsdichtewellen verursacht werden. Dieses neu entdeckte Phänomen könnte praktische Bedeutung für die Nanotechnologie haben, zumal sich der Reibungseffekt in Abhängigkeit von Abstand und Spannung modulieren lässt.

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