Das Phänomen der sogenannten Supraschmierung ist bekannt, bislang war allerdings unklar, was dabei auf atomarer Ebene geschieht. Eine neu entdeckte Designregel besagt jetzt, dass im Schmierstoff mehrere reaktive Zentren vorhanden sein müssen, um Supraschmierung hervorzurufen.
Supraschmierung
Eine der wichtigsten Grundvoraussetzungen für nachhaltige und umweltfreundliche Mobilität ist, Reibung zu minimieren. Supraschmierung könnte nicht nur kleine, sondern extreme Reibungsreduzierungen erzielen. Würden beispielsweise die Reibung in den Motoren und Getrieben von Fahrzeugen auf minimale Werte vermindert, wie sie bei der Supraschmierung auftreten, sänke der jährliche globale CO2-Ausstoß um viele Hundert Millionen Tonnen. Dieser Zukunftsvision sind zwei Fraunhofer-Institute einen wichtigen Schritt näher gekommen. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanzierten Projekt PEGASUS II haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden den atomaren Mechanismus aufgedeckt, der einer Supraschmierung in einem speziellen Reibpartner-System zugrunde liegt.
Schmierstoffe werden tribochemisch zerlegt
Sie untersuchten vielversprechende tribologische Systeme, bei denen die Oberflächen der Reibpartner aus speziellen diamantartigen Kohlenstoffschichten bestehen, die mit einer am Fraunhofer IWS entwickelten Beschichtungstechnologie hergestellt werden. Diese sogenannten tetraedrischen amorphen Kohlenstoffschichten (ta-C) wurden mit organischen Schmierstoffen kombiniert. Mit ungesättigten Fettsäuren oder Glycerol stellten sich extrem niedrige Reibwerte auf dem Niveau der Supraschmierung ein. Gesättigte Fettsäuren und Alkane erzielten dagegen keinen Supraschmiereffekt.
Den Grund fand das Forschungsteam mithilfe von quantenchemischen Simulationen in den reaktiven Zentren: Schmierstoffmoleküle, die mindestens zwei Reaktivzentren haben und damit gleichzeitig mit beiden ta-C-beschichteten Oberflächen eine chemische Bindung eingehen können, wurden durch die Gleitbewegung auseinander gerissen und in ihre Bestandteile zerlegt. Dadurch bilden sich Graphen-artige Oberflächen, welche die Voraussetzung für eine Supraschmierung sind. Die Ergebnisse präsentiert ein Artikel der Zeitschrift "Nature Communications".
Richtlinien für das Design neuartiger Schmierstoffe
Die Ergebnisse des Forschungsteams ermöglichen sowohl die Vorhersage der tribologischen Eigenschaften von ta-C-Oberflächen, die mit verschiedenen Molekültypen geschmiert werden, als auch die Formulierung von Richtlinien für das Design neuartiger organischer Reibungsmodifizierer. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fraunhofer-Institute IWM und IWS werden 2019 mit finanzieller Unterstützung des BMWi im Rahmen des Projekts PROMETHEUS mit industriellen Partnern weiter daran arbeiten, die quantenchemischen Erkenntnisse in ingenieursmäßige Lösungen zu überführen. Ihr Ziel: die Reibung in Verbrennungsmotoren und anderen Anwendungen weiter reduzieren.