Nanotribologie

Unser Programmbereich befasst sich mit den mechanischen Eigenschaften von Materialien. Insbesondere versuchen wir durch Experimente die mikroskopischen Mechanismen von Reibung und Verschleiß 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 aber auch neue experimentelle Methoden, um zum Verständnis der komplexen Welt der Reibung beizutragen. In allen Projekten des Programmbereichs arbeiten Doktorandinnen und Doktoranden sowie Studierende der Fachrichtung Experimentalphysik der Universität des Saarlands mit.

Reibung auf molekularen Filmen

In diesem Projekt bringen wir Filme aus einer molekularen Lage auf Oberflächen auf und untersuchen, wie sich die Reibung verändert. Beispielsweise prüfen wir die Schmierwirkung einer einzelnen atomaren Lage von Kohlenstoffatomen, dem so genannten Graphen. In einem weiteren gemeinsamen Projekt mit der Universität des Saarlands entwickeln wir ein chemisches Baukastensystem aus Cyclodextrin-Molekülen, das eine maßgeschneiderte Funktionalisierung von Oberflächen für Anwendungen in der Haftung und Reibung erlauben soll.


Bild eines einatomigen Kohlenstofffilms auf Siliziumkarbid. Gellichb gefärbte Bereiche zeigen eine doppelte Kohlenstoffschicht an, auf der die Reibung deutlich niedriger ausfällt.

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 auf Metalloberflächen

Die Reibung auf reinen Metalloberflächen entsteht in einem komplexen Zusammenspiel aus Verformung und Adhäsion der Oberflächen im Kontakt. Durch Experimente mit einzelnen mikroskopischen Spitzen, die in einer kontrollierten Vakuumumgebung über Metalloberflächen reiben, wollen wir zum grundlegenden Verständnis dieser technologisch wichtigen Phänomene beitragen. Besonderes Interesse kommt dabei den metallischen Gläsern wegen ihres speziellen Verformungsverhaltens zu.


Atomare Reibung auf einer Goldoberfläche. Der Kontakt springt von Atom zu Atom, dabei wird die wellenartige Reorganisation der Atome an Goldoberflächen sichtbar.