Atomic Friction - (AFRI)
Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry
Final Report Abstract
Die Erforschung von Reibung ist kompliziert: Wenn sich zwei Oberflächen berühren, bilden sich unzählige mikroskopisch kleine Kontakte aus. Wenn die Oberflächen gegeneinander reiben, werden diese Kleinstkontakte ständig verschoben, verformt, abgerissen und neu gebildet. Das Zusammenspiel aller dieser Phänomene bestimmt die Reibungskräfte. In der physikalischen Forschungsrichtung Nanotribologie werden diese mikroskopischen Phänomene der Reibung untersucht, meist durch Experimente an einem einzelnen Kontakt. Wenn dieser einzelne Kontakt, der oft nur aus einigen Atomen besteht, ähnlich einer Nadelspitze über eine glatte Kristalloberfläche geführt wird, dann springt die Spitze sozusagen von Atom zu Atom. Der Kraftaufwand dafür ist die gemessene Reibungskraft. Sie erlaubt es, die atomaren Sprünge im Detail zu untersuchen. In unserem Forschungsprojekt haben wir ausgehend von der Analyse solcher atomaren Reibungsprozesse überraschende Entdeckungen gemacht. Wenn die feine Spitze unseres Reibungskraftmikroskops über eine atomar glatte Goldoberfläche gleitet, messen wir eine extrem niedrige Reibung - gerade bei Raumtemperatur. Offenbar bildet sich zwischen Spitze und Oberfläche eine kristalline Goldbrücke, ähnlich einem kleinen Kissen, aus nur einigen zehn Atomen aus, das leicht über die Goldoberfläche gleitet. Erst wenn diese Brücke unter einer stärkeren Belastung zusammenbricht, kommt es zu nennenswerten Reibungskräften. Bei Raumtemperatur können bewegliche Goldatome auf der Oberfläche ständig die Oberfläche und den Kontakt reparieren – das Kissen bleibt erhalten. Bei tiefen Temperaturen, wenn die Bewegung einzelner Goldatome eingefroren ist, gräbt sich die Spitze ein Loch in die Oberfläche, in dem sie dann hängenbleibt. Im Jahr 2010 wurde der Nobelpreis in Physik an Forscher vergeben, die die exotischen elektronischen Eigenschaften von atomar dünnen Kohlenstoffschichten, dem Graphen, nachgewiesen hatten. Wir haben eine andere faszinierende Eigenschaft von Graphen gefunden: Nur eine einzige Lage vermag die Reibung erheblich zu senken, auf Siliziumkarbid sogar besser als der bekannte Schmierstoff Graphit. Dabei haben wir entdeckt, dass eine Einzellage Graphen eine zweimal höhere Reibung aufweist als eine Doppellage Graphen. Die oben beschriebenen atomaren Sprünge zeigen aber in beiden Fällen exakt die gleiche Form. Das bedeutet, dass die Dämpfung, also der Energieverlust bei der Bewegung des Kontakts während der Sprünge, für die Einzel- und Doppellage verschieden ist. Dieser Effekt ist als Geschwindigkeitsabhängigkeit messbar. So haben wir einen Zugang gefunden, um die wichtigste Frage der Reibungsforschung zu beantworten: Wie genau wird die Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt? Neben den Ideen, die wir in unserem Projekt für das grundlegende Verständnis von Reibung gewonnen haben, können die Ergebnisse auch für technische Fragen von Bedeutung sein. So beruhen beispielsweise viele elektrische Stecker, deren Zuverlässigkeit weiter erhöht werden muss, auf sich bewegenden Goldkontakten. Die niedrige Reibung auf den atomar glatten Graphenlagen könnte für die Entwicklung von Präzisions-Stellelementen interessant sein, die bei wenig Druck auf ein Atom genaue Positionen anfahren sollen. Solche Stellelemente sind zum Beispiel in modernen optischen Geräten gefragt. Wir werden unsere Untersuchungen weiter fortführen, sowohl um weiter zum Verständnis der atomaren Prozesse in Reibung und Verschleiß beizutragen als auch um die Kenntnis dieser Phänomene in die Entwicklung neuer Materialien einzubringen.
Publications
- Friction and dissipation in epitaxial graphene films.
Physical Review Letters, Vol. 102. 2009, Issue 8, 086102.
T. Filleter, J. L. McChesney, A. Bostwick, E. Rotenberg, K.V. Emtsev, Th. Seyller, K. Horn, R. Bennewitz
(See online at https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.086102) - Atomic Friction Investigations on Ordered Superstructures.
Tribology Letters, Vol. 39. 2010, Issue 3, pp. 321-327.
P. Steiner, E. Gnecco, T. Filleter, N. N. Gosvami, S. Maier, E. Meyer, R. Bennewitz
(See online at https://dx.doi.org/10.1007/s11249-010-9677-2) - Ageing of a Microscopic Sliding Gold Contact at Low Temperatures
Physical Review Letters, Vol. 107. 2011, Issue 14: 144303.
N. N. Gosvami, M. Feldmann, J. Peguiron, M. Moseler, A. Schirmeisen, R. Bennewitz
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.144303) - Molecular order and disorder in the frictional response of alkanethiol self-assembled monolayers. Journal of Physical Chemistry A, Vol. 115. 2011, Issue 25, pp. 6942–6947.
N. N. Gosvami, P. Egberts, R. Bennewitz
(See online at https://dx.doi.org/10.1021/jp1121728) - Friction and wear on single-layer epitaxial graphene in multi-asperity contacts. Tribology Letters, Vol. 48. 2012, Issue 1, pp 77-82.
D. Marchetto, C. Held, F. Hausen, M. Dienwiebel, F. Wählisch, R. Bennewitz
(See online at https://doi.org/10.1007/s11249-012-9945-4) - Quantitative multichannel NC-AFM data analysis of graphene growth on SiC(0001). Beilstein Journal Nanotechnology, Vol. 3. 2012, pp. 179–185.
C. Held, T. Seyller, R. Bennewitz
(See online at https://doi.org/10.3762/bjnano.3.19)
