Nanotribologie

Unser Programmbereich befasst sich mit den mechanischen Eigenschaften von Materialien. Insbesondere versuchen wir, durch Experimente die mikroskopischen Mechanismen der Reibung zu verstehen. Wie genau wird die Energie der Bewegung in Wärme umgewandelt? Welche Rolle spielen dabei die einzelnen molekularen Bindungen, welche die Struktur der Oberfläche? Im Zentrum unserer Methoden steht die hochauflösende Reibungskraftmikroskopie, in der eine sehr feine Spitze über die Materialoberfläche geführt wird. Das Mikroskop ist empfindlich genug, um dabei die Reibungskraft zu messen, die zu jedem Bruch einer einzelnen molekularen Bindung aufgebracht wird. Wir entwickeln neue experimentelle Methoden, um zum Verständnis der komplexen Welt der Reibung in Alltag und Technik beizutragen.

Reibung auf sehr dünnen Filmen

In diesem Projekt bringen wir sehr dünne Filme – nur wenige Atomlagen – auf Oberflächen auf und untersuchen, wie sich die Reibung verändert. Graphit ist ein fester Schmierstoff von großer technologischer Bedeutung, aber wie dick muss ein Graphitfilm sein, um die Reibung wirkungsvoll zu verringern? Wir haben eine dramatische Verringerung der Reibung schon für eine Atomlage Graphit auf einem Siliziumkarbidkristall festgestellt. Die allerdings deutlichen Unterschiede im Reibungsverhalten zwischen einer Atomlage Graphit und einem Graphitkristall führen uns zu neuen Gedanken über die physikalischen Grundlagen der Reibung.

Bild eines dünnen Kaliumbromidfilms auf einer Kupferoberfläche, atomar aufgelöst. Eine Insel und drei Löcher, die hier zu erkennen sind, spielen für die Reibung und die Stabilität der Oberfläche eine entscheidende Rolle (aus Phys. Rev. B77, 035430 (2008)).

Reibung unter elektrochemischer Kontrolle

Viele wichtige Reibungsprozesse finden in Flüssigkeiten statt. Wir untersuchen die molekularen Grundlagen dieser Prozesse mit einem Reibungskraftmikroskop, das in eine elektrochemische Zelle eingebaut ist. So können wir zum Beispiel die Wechselwirkung von mechanischer Beanspruchung und Korrosion studieren. Weiterhin können wir dünne Metallfilme auf der Oberfläche abscheiden und deren Wirkung auf die Reibung untersuchen. Mit diesem Gerät wollen wir aber auch die Reibung untersuchen, die uns Menschen am nächsten liegt: die wässrige Schmierung in biologisch relevanten Systemen.

Reibung rauer Oberflächen

Eine große Schwierigkeit beim Verständnis von Reibung ist die Komplexität von technisch relevanten rauen Kontaktflächen: Millionen von mikroskopischen Kontakten werden ständig gebildet, verformt und wieder abgerissen. Um diese Prozesse grundsätzlich zu verstehen, haben wir uns eine vereinfachte raue Oberfläche hergestellt. Hunderttausend identische Pyramiden in einer regelmäßigen Anordnung dienen als einfache raue Oberfläche, deren kollektives Reibungsverhalten wir mittels Lichtstreuung untersuchen.

Regelmäßige Pyramiden auf einer Gummioberfläche bilden ein experimentell zugängliches Modellsystem für eine raue Oberfläche (aus J. Phys.: Condens. Matter 20 (2008) 015004).

Nanoplastizität

Die mechanische Stabilität kristalliner Materialien hängt stark von sogenannten Versetzungen ab, ausgedehnten Defekten in der Ordnung der Kristalle. Mit der scharfen Spitze des Kraftmikroskops können wir nicht nur einzelne Versetzungen in perfekte Kristalle einbringen, wir können diese Versetzungen an der Oberfläche auch abbilden. Experimente mit einzelnen Versetzungen geben uns Einblicke in die Physik der plastischen Verformung und insbesondere der außerordentlichen Härte von nanostrukturierten Materialien.