Die Reibung im Mikromaßstab hängt unerwarteterweise von der Gleitgeschwindigkeit ab

Reibung auf atomarer Ebene scheint von der Geschwindigkeit abzuhängen, mit der sich zwei Oberflächen aneinander vorbeibewegen. Dieses überraschende Verhalten wurde beobachtet, als sich die Spitze eines Rasterkraftmikroskops (AFM) entlang einer Graphenbeschichtung bewegte, und Forscher der Universitäten Basel in der Schweiz und Tel Aviv in Israel sagen, dass es auf eine Oberflächenwellung zurückzuführen ist, die durch eine Fehlanpassung in der Gitterstruktur von Graphen verursacht wird . Die Erkenntnis, zusammen mit Beobachtungen, dass die Reibungskraft in verschiedenen Geschwindigkeitsregimen unterschiedlich skaliert, könnte Anwendungen in Geräten wie Festplatten und beweglichen Komponenten in Satelliten oder Weltraumteleskopen finden, die eine extrem niedrige Reibung erfordern.

Bei alltäglichen, makroskopischen Objekten ist die Reibung entweder unabhängig von der Gleitgeschwindigkeit (nach dem Coulombschen Gesetz) oder linear davon abhängig (z. B. in viskosen Medien). Auf atomarer Ebene liegen die Dinge jedoch anders. In der neuen Arbeit führte ein Team Ernst Meier von dem Schweizerisches Nanowissenschaftliches Institut und für Departement Physik der Universität Basel maßen die Geschwindigkeit, mit der sich ein Rasterkraftmikroskop (AFM) über eine Schicht aus Graphen (eine 2D-Form von Kohlenstoffatomen, die in einer wabenartigen Konfiguration angeordnet sind) auf einem Platinsubstrat bewegt.

Moiré-Übergitter

In ihrem Experiment, in dem sie berichten Nano-Buchstabenfanden Meyer und Kollegen heraus, dass Graphen Überstrukturen bildet, die als Moiré-Übergitter bekannt sind. Diese Strukturen sind nicht mehr ganz flach, und die Reibung, die sie erzeugen, skaliert je nach Geschwindigkeitsregime auf unterschiedliche Weise.

Nach atomistischen molekulardynamischen Simulationen von Oded Hod und Michael Urbach's Forschungsgruppen in Tel Aviv kommt der Mechanismus hinter dem Effekt von der Verformung an den Graten des Moiré-Übergitters, wenn sich die Spitze des AFM entlang der Graphen/Platin-Grenzfläche bewegt. Die Spitze induziert eine elastische Verformung, wenn sie auf den Kamm drückt, gefolgt von einer Kammrelaxation beim Ablösen von der Spitze, wenn sie nach vorne gleitet.

Bei niedrigen AFM-Scangeschwindigkeiten ist die Reibungskraft klein und bleibt konstant (erinnert an makroskopisches Verhalten), erklärt Hod. Oberhalb einer bestimmten Schwellengeschwindigkeit steigt sie jedoch logarithmisch an. „Dieser Schwellenwert ist umso niedriger, je größer die Moiré-Überstruktur ist, was es ermöglicht, den Crossover-Wert über den Grenzflächenverdrehungswinkel abzustimmen“, sagt Hod.

„Eine klare Ansage für die Praxis“

„Unsere Ergebnisse liefern eine klare Botschaft für praktische Anwendungen“, fügt Urbakh hinzu. „Um mit zweidimensionalen Materialbeschichtungen eine extrem niedrige Reibung zu erreichen, sollten sie so präpariert werden, dass sie kleinräumige Moiré-Muster erzeugen.“

Quanteneffekte machen Magneten überraschend schlüpfrig

Die Forscher sagen, dass der von ihnen beobachtete Mechanismus auch für polykristalline Materialien relevant sein könnte, in denen Korngrenzen vorhanden sind. Sie planen, diese in zukünftigen Arbeiten genauer zu untersuchen. „In diesem Fall wird die Verteilung der Reibungsenergie durch den Beitrag der Korngrenzen dominiert“, sagt Hod Physik-Welt. „Wir beabsichtigen, Wege zu finden, um Korngrenzenreibung zu eliminieren, zum Beispiel durch die Erforschung einzigartiger negativer Reibungskoeffizientenregime, bei denen die Reibung im Gegensatz zur üblichen physikalischen Intuition mit externen normalen Belastungen abnimmt.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/friction-at-the-microscale-depends-unexpectedly-on-sliding-speed/