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Reibung: Kratzen auf atomarer Skala

Mit dem Rasterkraftmikroskop konnten Schweizer Forscher die mikroskopischen Vorgänge bei Reibung und Verschleiß genauer ergründen. Sie ritzten mit der feinen Nadel des Instruments winzige Kerben in Kristalle und bildeten sie dann in atomarer Auflösung ab.


Reibung und Verschleiß sind Alltagsphänomene mit enormer technischer Bedeutung. Reibung führt zu Energieverlusten, weil gerichtete Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt wird, und Verschleiß begrenzt die Lebensdauer aller mechanischen Geräte vom Automotor bis zur Festplatte im Computer. Deshalb hat die Erforschung dieser Phänomene eine lange Geschichte. Das dokumentieren schon Bilder vom Pyramidenbau aus dem Pharaonenreich: Um die Reibung großer Transportschlitten zu mindern, befeuchteten die alten Ägypter die Sandwege.

Das Universalgenie Leonardo da Vinci (14521519) hat erstmals physikalische Gesetze zur Reibung niedergelegt. Allerdings wurden sie nicht veröffentlicht und mussten so vom französischen Physiker Guillaume Amontons Ende des 17. Jahrhunderts wieder entdeckt werden. Die ersten Schritte auf der Suche nach den mikroskopischen Ursachen der Reibung machte Charles-Augustin de Coulomb, der die mikroskopische Rauheit der Oberfläche in seine Überlegungen einbezog. Tatsächlich wird die Reibung zwischen zwei Körpern durch Bildung, Verschiebung und Abriss einer Vielzahl von winzigen Einzelkontakten bestimmt.

Seit der Einführung der Rasterkraftmikroskopie lassen sich diese Vorgänge nun direkt beobachten. So wie die Nadel eines Plattenspielers aus der Geometrie der Rillen auf einer Schallplatte eine Sinfonie herausliest, kann die Spitze des Kraftmikroskops die atomare Struktur einer Oberfläche ertasten. Dabei kommt es zu einem so genannten Stick-slip-Verhalten: Wenn die Mikroskopspitze behutsam über eine ebene kristalline Fläche gezogen wird, bleibt sie jeweils an einer atomaren Position stecken (stick), bis die Zugkraft einen Schwellenwert übersteigt; dann springt sie zur nächsten solchen Position weiter (slip). Die Reibung ändert sich also mit der Periodizität des Atomgitters, das sich auf diese Weise abbilden lässt.

Wie Reibungswärme entsteht

Zwar handelt es sich dabei nicht um eine echte atomare Auflösung, da der Kontakt zwischen Spitze und Probe nicht nur aus einem, sondern aus vielen Atomen besteht. Reibungsexperimente zeigen trotzdem die Struktur des Atomgitters. Den Grund mag ein Vergleich verdeutlichen: Man könnte ja auch die Periodizität eines Eierkartons bestimmen, indem man einen anderen mit leichter Kraft darüber hinwegführt.

Stick-slip-Verhalten ist keineswegs auf den Mikrokosmos beschränkt. Es kommt genauso in unserer makroskopischen Alltagswelt vor etwa bei einer quietschenden Bremse, die fest auf der Felge sitzt, bis die Kraft des sich weiterdrehenden Rades zu groß wird und sie ein Stück weiterrückt, und so fort. Die Frequenz der Wiederholung dieses Vorgangs nehmen wir als Schallwelle wahr.

Die Untersuchung von Reibung auf atomarer Skala ist daher keineswegs nur von akademischem Interesse. Das zeigten auch unsere ersten Experimente mit Metalloberflächen. Danach hängen atomare Reibung und Verschleiß entscheidend von der Ausrichtung der Oberfläche zum Kristallgitter ab. Nur wenn beispielsweise ein Kupferkristall parallel zu derjenigen Kristallebene geschnitten war, in der die Atome in ihrer dichtesten Packung vorliegen, konnten wir verschleißfrei ein atomares Stick-slip-Verhalten messen. An anderen Oberflächen desselben Kristalls kam es dagegen sofort zu starkem Materialabtrag und unregelmäßigen Sprüngen der Reibungskraft auf atomarer Skala.

Eine zentrale Frage ist, wie denn nun genau beim Reibungsprozess Wärme entsteht. Den resultierenden Energieverlust konnten wir mit dem Kraftmikroskop direkt ermitteln: Er ergibt sich aus dem Produkt der gemessenen Reibungskraft und dem Weg der Spitze. Wie wir feststellten, geht die Energie typischerweise beim Slip-Vorgang verloren. Anschaulich kann man sich vorstellen, dass die Spitze an den Oberflächenatomen zupft, über die sie rasch hinweggleitet. Deren Bewegung wird aber sehr schnell auf alle benachbarten Atome übertragen und verliert sich in Gitterschwingungen, also in Wärme.

Auch Verschleiß lässt sich mit dem Kraftmikroskop in atomaren Dimensionen untersuchen. Dazu muss man die Andruckkraft der Spitze nur genügend steigern; irgendwann kratzt sie dann Atome aus der Oberfläche.

Wir haben dieses Anfangsstadium von Verschleiß an einem Kaliumbromid-Kristall genauer untersucht. Dazu ritzten wir zunächst mit relativ hoher Kraft einen Kratzer von wenigen Atomlagen Tiefe in die Oberfläche und rasterten diese dann bei geringem Auflagedruck ab. Auf diese Weise konnten wir nicht nur die Topografie der beschädigten Stelle, sondern dank des Stick-slip-Verhaltens auch ihre atomare Struktur darstellen. Um äußere Einflüsse wie den der Luftfeuchtigkeit zu minimieren, führten wir die Experimente in einer Vakuumkammer durch.

Zu unserer Überraschung lagen die abgetragenen Atome keineswegs regellos um den Kratzer herum, sondern bildeten Hügel aus geordneten Schichten, die sich perfekt der kristallinen Unterlage angepasst hatten. Offenbar bewegen sie sich auf der Oberfläche entlang, bis sie wieder eine reguläre Position im Kristallgitter eingenommen haben, wobei die Spitze des Kraftmikroskops diese Verlagerung vielleicht unterstützt. Diese neue Erkenntnis ist wichtig für Versuche, den Verschleißprozess zu simulieren. Entsprechende Modelle sollten berücksichtigen, dass die abgetragenen Atome quasi sofort wieder kristallisieren und dadurch eine gewisse Festigkeit zurückgewinnen.

Verschleiß kontra Reibung

Wenn Verschleiß auftritt, wie viel von der Bewegungsenergie zehrt er dann im Vergleich zur Reibung auf? Auch dies lässt sich mit dem Kraftmikroskop ermitteln. Dazu muss man nur die Topografie des Kratzers genau vermessen. Das Ergebnis verrät, wie viele Atome aus dem Kristall gelöst wurden. Die Summe ihrer Bindungsenergien in Relation zur gesamten eingesetzten Energie, die sich aus den Kraftmessungen ergibt, liefert den Anteil, der auf den Verschleiß entfällt. Wie wir feststellten, werden mehr als zwei Drittel der Energie durch Reibung gleich in Wärme verwandelt und nur ein Drittel dient zum Aufbrechen des Kristalls.

Unsere Untersuchungen über Energieverlust und Oberflächenmodifikation auf atomarer Skala werden sicherlich helfen, Reibung und Verschleiß auch im makroskopischen Bereich besser zu verstehen. Schließlich sind beide Welten oft eng verbunden. So liegt der Verschleiß in den Kolben moderner Motoren im Bereich eines Nanometers pro Stunde, was wenigen Atomlagen entspricht. Auch die Schutzschicht auf magnetischen Speicherplatten ist nur wenige Nanometer dick, damit sie das Auslesen der Bits in höchster Auflösung nicht behindert. Ihr Abrieb durch unfreiwillige Berührungen des Lesekopfs gehört zu den zentralen technologischen Problemen bei der Entwicklung von Festplatten.

Aber auch in den Nanowissenschaften könnten unsere Ergebnisse Bedeutung erlangen. So wäre denkbar, dass die beobachtete Rekristallisation der verschobenen Atome es den Nanotechnologen erheblich leichter macht, die von ihnen angestrebten winzigen Strukturen und Geräte zu konstruieren.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 2003, Seite 21
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 2003

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 2003

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