Wiener Physiker erklären Gesetze der Reibung auf Nanoebene

Die grundlegenden Gesetze der Reibung sind bereits mehrere hundert Jahre alt. Mithilfe von Computersimulationen haben österreichische Physiker nun deren Anwendbarkeit auf der Nanoebene untersucht und dabei überraschenderweise ganz ähnliche Zusammenhänge gefunden, berichten die Forscher im Fachblatt "Physical Review Letters".

Erforscht seit Da Vinci

Tribologie, also die wissenschaftliche Beschreibung von Reibung, Verschleiß und Schmierung, spielt in vielen Bereichen eine wichtige Rolle. Sei es die Bewegung eines Kolbens im Zylinder eines Motors, die Drehbewegung in einem Lager oder die Wechselwirkung zwischen dem Rad eines Zuges und der Schiene - wo immer sich Bauteile bewegen, ist auch Tribologie im Spiel.

Der Grundstein für unser Verständnis dieser Vorgänge wurde bereits vor einem halben Jahrtausend gelegt: Es war Leonardo da Vinci, der als Erster feststellte, dass die Reibung umso größer wird, je höher die Last ist und damit das erste fundamentale Gesetz der Reibungslehre formulierte.

Um das Verständnis solcher Effekte zu vertiefen, ist es jedoch notwendig, die Vorgänge auf atomarer Ebene zu untersuchen. Dazu haben Forscher des Exzellenzzentrums für Tribologie AC2T research GmbH in Wiener Neustadt (NÖ) und der Technischen Universität (TU) Wien nun Computersimulationen entwickelt, mit deren Hilfe man die Reibung zwischen Oberflächen auf der Größenskala von Nanometern modellieren kann.

Wie beim Schleifen

"Wir simulieren das Verhalten von Nanopartikeln, die entlang einer Oberfläche bewegt werden und dabei durch Abnutzung ihre Form verändern", erklärt Andras Vernes, Koautor der Studie, gegenüber der APA. "Das entspricht in etwa den Vorgängen beim Polieren einer Metalloberfläche mit Schleifpapier." Die Simulation berücksichtigt sämtliche Wechselwirkungen zwischen den Atomen sowie deren zeitlichen Verlauf aufgrund der Abnutzung. Wie sich dabei herausstellte, ist die effektive Kontaktfläche zwischen den Nanoobjekten der entscheidende Faktor: Sie ist das Maß für die Anzahl der Atome, die miteinander wechselwirken und somit Reibung verursachen.

Da die effektive Kontaktfläche proportional mit der Last, also der Kraft, mit der die Partikel auf die Oberfläche gepresst werden, zunimmt, ergibt sich auch für Last und Reibung ein linearer Zusammenhang - genau wie es einst da Vinci an makroskopischen Objekten beobachtet hat. "Dass dieses recht einfache Bild tatsächlich auf mikroskopischer Skala seine Gültigkeit behält, ist überraschend", so Stefan Eder, Erstautor der Studie. "Mikroskopische Berechnungen dieser Vorgänge geben uns nun auch die Möglichkeit, kompliziertere Fälle zu verstehen, die sich nicht mit einem so einfachen Zusammenhang zwischen Last und Reibkraft erklären lassen."

Gemeint ist damit etwa die Rasterkraftmikroskopie, bei der die Spitze einer feinen Nadel über eine zu untersuchende Oberfläche gezogen wird. Hier gibt es im Idealfall nur einen einzigen atomaren Kontaktpunkt, wodurch der lineare Zusammenhang zwischen Last und Reibkraft verloren gehen kann. Da die Simulation jedoch die tatsächliche Wechselwirkung zwischen den äußersten Atomen berücksichtigt, sollte es mit ihrer Hilfe möglich sein, auch für diesen Spezialfall die Reibung zu berechnen.