Neues Verfahren: Physiker messen Reibung in einem Schmiermittel auf molekularer Ebene

(Nanowerk News) Reibung ist ein Ph√§nomen, das im Alltag immer wieder auftritt. Um Energieverluste durch Reibungskr√§fte etwa beim Auto zu vermeiden, setzen Ingenieure auf Schmiermittel. Saarbr√ľcker Physiker um Judith Hoth und Professor Roland Bennewitz haben ein neues Verfahren entwickelt, um diese Kr√§fte in Schmierstoffen auf molekularer Ebene zu messen. Dabei konnten sie den schichtartigen molekularen Aufbau des eigentlich fl√ľssigen Schmierstoffs deutlicher sehen als mit bislang g√§ngigen Methoden. Zudem haben sie gezeigt, dass die Reibung umso gr√∂√üer ist, je n√§her die einzelne molekulare Schicht an der Oberfl√§che des Materials liegt.

Die Industrie könnte dies nutzen, um Reibung gezielt zu steuern. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Journal of Physics: Condensed Matter veröffentlicht ("Force microscopy of layering and friction in an ionic liquid").

Reibung entsteht immer dort, wo zwei Gegenst√§nde sich zueinander bewegen. Wenn ein Auto zum Beispiel auf der Stra√üe beschleunigt, entsteht zwischen dem Autoreifen und der Stra√üe Reibung. In vielen F√§llen ist diese Kraft unerw√ľnscht, etwa wenn sie als Luftwiderstand zum Energieverbrauch des Autos beitr√§gt.

Um die Reibung herabzusetzen, kommen daher bei vielen technischen Prozessen Schmierstoffe zum Einsatz, zum Beispiel in Form von √Ėlen oder Graphit. Eine relativ neue Form von Schmierstoffen stellen sogenannte ionische Fl√ľssigkeiten dar, die derzeit aber noch wenig Verwendung finden.

"Diese Fl√ľssigkeiten sind eigentlich geschmolzene Salze", sagt Judith Hoth. Im Gegensatz zum Kochsalz liegt dieses Salz in fl√ľssiger Form vor. Es h√§lt hohen Druck und hohe Temperaturen aus und verdampft nicht im Vakuum. "Kommen ionische Fl√ľssigkeiten mit einer elektrisch geladenen Oberfl√§che in Kontakt, bilden sie Schichten aus", erkl√§rt die Physikerin weiter. "Die Anzahl der Schichten h√§ngt dabei davon ab, wie stark die Bindung zur Oberfl√§che ist."
Wie Reibungskr√§fte auf diese Schichten wirken, haben Physiker der Universit√§t des Saarlandes und des Leibniz-Instituts f√ľr Neue Materialien in einer Studie mit einem neuen Verfahren am Rasterkraftmikroskop untersucht. Bislang kam so ein Mikroskop zum Einsatz, um Reibung zum Beispiel zwischen zwei Oberfl√§chen im Schmierstoff zu messen und nicht die Reibung im Schmiermittel selbst, wie es die Saarbr√ľcker Physiker nun getan haben.
Hoth und ihre Kollegen haben bei ihrem Ansatz die Reibung zwischen der Messspitze des Mikroskops und einer Goldoberfl√§che gemessen, w√§hrend sich die Spitze in einer ionischen Fl√ľssigkeit der Oberfl√§che n√§hert. Um herauszufinden, welche Reibung dort entsteht, haben die Forscher f√ľr jede Schicht die Kr√§fte gemessen, die senkrecht und seitlich auf die Schicht einwirken (Vertikal- und Lateralkr√§fte).
"Mit unserer Methode haben wir die Schichtstruktur stärker gesehen, als dies bislang möglich war", erklärt Hoth.
So konnten die Forscher zum Beispiel zeigen, dass die ionische Fl√ľssigkeit in ihrem Versuch zw√∂lf Schichten gebildet hat ‚Äď eine Anzahl, die bislang noch nicht beobachtet werden konnte. Das experimentelle Ergebnis konnte mittels einer Theorie des Saarbr√ľcker Materialwissenschaftlers Martin M√ľser im Detail beschrieben werden. Dar√ľber hinaus haben die Physiker herausgefunden, dass die Reibungskraft in der Schicht, die am n√§chsten zur Goldoberfl√§che ist, mit Abstand am gr√∂√üten ist. Mehrere Schichten der ionischen Fl√ľssigkeit entwickelten dagegen ihre volle Schmierwirkung.
F√ľr die Industrie k√∂nnten die Ergebnisse der Studie von Bedeutung sein: "Man k√∂nnte die Reibungskr√§fte bei einem solchen Schmiermittel k√ľnftig gezielt steuern, indem man je nach Bedarf die Anzahl der Schichten √§ndert", sagt Hoth.
Judith Hoth hat einen internationalen Physikstudiengang absolviert, der von der Saar-Uni gemeinsam mit den Hochschulen in Lothringen und Luxemburg angeboten wird. Die Untersuchungen hat sie im Rahmen ihrer Masterarbeit bei Professor Roland Bennewitz am INM Leibniz-Institut f√ľr Neue Materialien durchgef√ľhrt. Hoth promoviert mittlerweile in Twente in den Niederlanden. Hier erforscht sie das Flie√üverhalten von ionischen Fl√ľssigkeiten.
Source: Universität des Saarlandes
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