Passivierung von wassergeschmierten Diamantoberflächen durch aromatische Pandey-Rekonstruktion (orange).
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Auf Schneidwerkzeugen, Lagern und Dichtungen helfen Diamantbeschichtungen Reibung und Verschleiß zu reduzieren. Reiben zwei Diamantflächen trocken aneinander, entsteht sehr starke Reibung, da die reaktiven Kohlenstoffatome an der Oberfläche Bindungen mit den entsprechenden Atomen des Reibpartners eingehen. Kommen Wasser oder Luftfeuchtigkeit dazu, werden die Wassermoleküle aufgespalten und Wasserstoff und Hydroxyl-Gruppen gehen Bindungen mit dem Kohlenstoff ein. Die Oberfläche ist gesättigt und der Reibungskoeffizient sinkt stark ab. Allerdings können bei fortgesetzter Reibung erneut reaktive Kohlenstoffatome auftreten, die wieder Bindungen mit dem Reibpartner eingehen. Deshalb ist es wichtig, eine schnelle Wiederabsättigung zu erreichen. Um die Abhängigkeit der Reibung von der Wassermenge genauer zu verstehen, führten Prof. Dr. Moseler, Leiter der Gruppe Multiskalenmodellierung und Tribosimulation am Fraunhofer IWM gemeinsam mit seinen Kollegen Dr. Takuya Kuwahara und Dr. Gianpietro Moras großskalige Quantenmolekulardynamikrechnungen mit wassergeschmierten Diamantoberflächen durch.
Simulation zeigt vier unterschiedliche Reibungsmechanismen
Die erste Simulation mit sehr wenigen Wassermolekülen bestätigte die bereits bekannten Bindungen zwischen den Reibpartnern, auch Kaltverschweißung genannt, die zu starker Reibung führt. Dabei kommt es auch zur Amorphisierung von Kohlenstoff, also der Auflösung der kristallinen Struktur an der Oberfläche. Eine weitere Simulation mit etwas mehr Wasser zeigte bereits einen neuen Fall. Hier verbanden sich die Oberflächen der Reibpartner über Äthergruppen. Diese Form der Kaltverschweißung führt ebenfalls zu hoher Reibung, es tritt aber keine Amorphisierung auf. Simulationen mit ausreichend Wasser bestätigten die ebenfalls bekannte Absättigung der Oberflächen mit Wasserstoff und Hydroxylgruppen. Die Forscher konnten in ihrer Simulation aber noch einen weiteren bislang vollkommen unbekannten Reibungsfall ausmachen. "Bei der Zugabe von wenigen Wassermolekülen kam es bei einem der Reibpartner zu einer Aromatisierung der Oberflächenstruktur in Form der Pandey-Rekonstruktion", erklärt Moras, "das heißt durch eine ringförmige Anordnung der Kohlenstoffatome passiviert sich die Diamantoberfläche selbst." Der andere Reibpartner sättigt in diesem Fall seine Oberfläche mit Wasserstoff und Hydroxylgruppen. Folge ist ebenfalls ein sehr kleiner Reibungskoeffizient.
Die Pandey-Rekonstruktion kann als Schritt hin zu einer vollständigen Rekonstruktion der Oberflächen betrachtet werden. "In der Simulation konnten wir in weitergehenden Schritten sehen, dass sich in der Ringstruktur Graphenkuppeln bilden, die die Reibung weiter reduzieren", so Moseler. Weitere Untersuchungen sollen zeigen, wie die Aromatisierung gezielt forciert werden kann, beispielsweise durch eine Dotierung der Diamantoberfläche. Laut Moras lasse sich ein Großteil der Ergebnisse auch auf andere wasserspaltende Materialien übertragen lassen, wobei aromatische Passivierung eine Spezialität des Kohlenstoffs sei. Daher gehen die Forscher davon aus, dass auch bei amorphen Kohlenstoffoberflächen eine aromatische Umstrukturierung möglich wäre.