Uni Basel: Reibung ist doch geschwindigkeitsabhängig
Wie die Universität Basel mitteilt, haben die Forscher beobachtet, dass in manchen Fällen die Reibung doch von der Geschwindigkeit abhängig ist.
Materialien, die aus einzelnen atomaren Schichten bestehen, sind aufgrund ihrer potenziell geringen Reibung interessant für Anwendungen, bei denen Reibung reduziert werden soll.
Das gilt beispielsweise bei Festplatten oder beweglichen Bauteilen für Satelliten oder Weltraumteleskope.
So wird auch Graphen, das aus einer einzigen Schicht von wabenartig angeordneten Kohlenstoffatomen besteht, als mögliche Schmierschicht untersucht.
Frühere Studien haben beispielsweise gezeigt, dass sich ein Graphenband fast reibungsfrei über eine Goldoberfläche bewegen lässt.
Überraschende Ergebnisse bei rauer Oberfläche
Wird Graphen auf einer Platinoberfläche aufgebracht, hat dies einen entscheidenden Effekt auf die messbaren Reibungskräfte.
Physiker der Universität Basel und der Tel Aviv University berichten nun im Wissenschaftsjournal Nano Letters, dass die Reibung in diesem Fall von der Geschwindigkeit abhängt, mit der die Spitze eines Rasterkraftmikroskops über die Oberfläche geführt wird.
Ein überraschendes Ergebnis, da nach dem in der Makrowelt geltenden Coulomb-Gesetz Reibung nicht von der Geschwindigkeit abhängt.
Zusammen mit dem Platinsubstrat bildet Graphen nicht mehr nur das sechseckige Wabenmuster aus Kohlenstoffatomen, sondern es entstehen Überstrukturen – sogenannte Moiré-Strukturen.
Die Oberfläche weist eine gewisse Rauigkeit auf
Dies führt dazu, dass die Oberfläche nicht mehr vollkommen plan ist, sondern eine gewisse Rauigkeit aufweist.
«Wenn wir die AFM-Spitze mit einer geringen Geschwindigkeit über diese leicht gewellte Oberfläche bewegen, messen wir eine geringe, fast konstante Reibungskraft», erklärt Professor Doktor Ernst Meyer vom Swiss Nanoscience Institute und Departement Physik der Universität Basel.
«Ab einem bestimmten Schwellenwert nimmt dann aber die Reibung mit steigender Geschwindigkeit der Rasterkraftmikroskop-Spitze zu», ergänzt Erstautor Doktor Yiming Song.
«Je grösser die Moiré-Überstruktur ist, desto geringer ist dieser Schwellenwert, ab dem die Reibung geschwindigkeitsabhängig wird.»
Simulationen und analytisches Modell bestätigen experimentelle Ergebnisse
Wie die Forschenden feststellten, kommt es bei der Bewegung der Spitze an den Rändern der Moiré-Superstrukturen zu einem vergrösserten Widerstand.
Die Ränder der Überstrukturen verformen sich elastisch durch die schiebende Spitze und entspannen sich dann bei genügend hohem Druck wieder.
Dieser Effekt führt zu den erhöhten Reibungskräften, die umso grösser werden, je schneller sich die Spitze bewegt.
Simulationen und ein analytisches Modell bestätigen die experimentellen Ergebnisse des internationalen Forschungsteams.
