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Reibung auf atomarer Ebene

Lange kümmerten sich die Physiker wenig um die atomaren Ursachen des Gleitwiderstands. Erst die Nanotribologie sucht diese Wissenslücke zu schließen und hat dabei unerwartete Reibungsquellen entdeckt - etwa die Anregung von Schallwellen.

Viele Jahre sah ich der ersten Dezember-Woche mit Unbehagen entgegen – nicht wegen der winterlichen Dunkelheit, des Schneeregens oder des Gedränges bei Weihnachtseinkäufen; der Grund war, daß in dieser Woche die Kurzfassungen der Vorträge für die jeweils im März stattfindende Tagung der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft fällig waren, das wichtigste Treffen für Festkörper-Physiker. Mein Kollege Allan Wisdom und ich hatten 1986 an der Northeastern University in Boston (Massachusetts) eine Methode entwickelt, um die Reibungskräfte zu messen, die nur ein Atom dicke Schichten beim Gleiten auf glatten, festen Oberflächen erfahren. Aber welchem der unzähligen Themengebiete der Tagung waren unsere Ergebnisse zuzuordnen?

Nicht daß es gar kein Interesse an der Reibung gegeben hätte. In der fachübergreifenden Amerikanischen Vakuum-Gesellschaft war ich bei Sitzungen über die makroskopischen Aspekte des Phänomens oder über seine Untersuchung im Nanometerbereich immer willkommen. Die meisten Physiker jedoch schienen wenig Sinn für dieses Gebiet zu haben. Fast einhellig schrieben sie den Gleitwiderstand der Rauhigkeit von Oberflächen zu und hielten die Sache damit für geklärt – eine kaum verständliche Haltung angesichts der allgemeinen Bedeutung des Phänomens und seiner wirtschaftlichen Auswirkungen. Schließlich brächte den meisten Schätzungen zufolge die gründlichere Beschäftigung mit Reibungs- und Verschleißvorgängen den Industriestaaten Einsparungen in Höhe von 1,6 Prozent des Bruttosozialprodukts, was allein in den USA im letzten Jahr immerhin 116 Milliarden Dollar gewesen wären.

Doch allmählich besserte sich die Situation. In den späten achtziger Jahren wurden etliche weitere Verfahren entwickelt, mit denen sich der Ursprung von Reibungskräften experimentell oder theoretisch – insbesondere mit Computermodellen – ergründen ließ. Für das neue Forschungsgebiet prägte ich in einer Veröffentlichung vom Januar 1991 den Ausdruck Nanotribologie: Lehre von der Reibung (Tribologie) im Nanometerbereich. Inzwischen wird der Terminus allgemein verwendet, und aus den Arbeiten versprengter Pioniere ist eine anerkannte Spezialdisziplin hervorgegangen.

Eine ihrer wichtigsten neuen Erkenntnisse ist, daß sich Reibung auf atomarer Ebene wesentlich anders darstellen kann als bei makroskopischen Vorgängen. Tatsächlich hat sie sehr wenig mit der mikroskopischen Rauhigkeit einer Oberfläche zu tun, und in manchen Fällen sind trockene Flächen sogar rutschiger als nasse. Die Ursachen des Gleitwiderstands haben sich als so vielfältig erwiesen, daß man noch heute die Reibungskraft zwischen zwei Oberflächen selbst dann nicht zuverlässig vorhersagen kann, wenn deren Beschaffenheit genauestens bekannt ist. Entscheidend für ein besseres Verständnis wäre die Kenntnis des Zusammenhangs zwischen den mikroskopischen Kontaktpunkten und dem makroskopischen Gleitverhalten. Solche Einsichten hätten keineswegs nur akademisches Interesse, sondern bildeten auch die Grundlage für die Entwicklung verbesserter Schmiermittel und verschleißfester Maschinenteile.


Tiefe Wurzeln

Schon als unsere hominiden Vorfahren (Frühmenschen der Art Homo erectus) vor mehr als einer Million Jahren Steine zu Werkzeugen zurechtschlugen, nutzten sie implizit die Reibung. Die sie begleitende Erwärmung setzten vor 200000 Jahren dann die Neandertaler ein, um Feuer zu machen: Sie rieben Holz auf Holz oder schlugen Feuersteine an. Dagegen verminderten die Ägypter beim Bau der Pyramiden vor 5000 Jahren den Gleitwiderstand, indem sie die Kufen der Holzschlitten wässerten, mit denen sie große Standbilder und Steinblöcke transportierten. Der größte Fortschritt in dieser Hinsicht war jedoch die Erfindung des Rades im vierten vorchristlichen Jahrtausend (früheste Funde stammen aus Mesopotamien und dem Schwarzmeergebiet): Es ersetzte den Gleit- weitgehend durch den wesentlich geringeren Rollwiderstand und konzentrierte den unvermeidlichen Rest auf die gut schmierbare Nabe.

Vor etwa 500 Jahren formulierte Leonardo da Vinci (1452 bis 1519) die Gesetzmäßigkeiten für die Bewegung eines über eine Fläche gleitenden Klotzes. Obwohl seine Erkenntnis folgenlos war, weil die Notizbücher des Universalgenies einige Jahrhunderte lang unveröffentlicht blieben, läßt sie sich als Beginn der modernen Tribologie ansehen. Ende des 17. Jahrhunderts untersuchte der französische Physiker Guillaume Amontons (1663 bis 1705) die trockene Gleitreibung zwischen zwei glatten Flächen und fand die von Leonardo entdeckten Beziehungen ein zweites Mal.

Sie sind heute als klassische Reibungsgesetze bekannt. Nach dem ersten ist die einer Gleitbewegung zwischen zwei Flächen entgegenwirkende Widerstandskraft proportional zur (senkrecht dazu gerichteten) Normalkraft, mit der beide aufeinandergepreßt werden. Überraschenderweise hängt ihre Stärke – so das zweite Gesetz – nicht von der Auflagefläche ab: Ein Quader wird gleich stark abgebremst, unabhängig davon, mit welcher Seitenfläche man ihn aufsetzt. Diesen beiden Regeln wird manchmal eine dritte hinzugefügt, die man dem französischen Physiker Charles-Augustin de Coulomb (1736 bis 1806) zuschreibt; hauptsächlich wegen seiner Arbeiten zur Elektrostatik bekannt, hat er auch Reibungsexperimente angestellt. Danach hängt die Reibungskraft nach Beginn einer Bewegung nicht von deren Geschwindigkeit ab: Wie schnell man einen Klotz auch schieben mag, der Gleitwiderstand bleibt annähernd gleich.

Die empirisch gefundenen Reibungsgesetze haben – mit gewissen Modifikationen – bis heute Bestand. Für viele Versuche, sie theoretisch zu erklären, läßt sich das hingegen nicht behaupten. So wurde die naheliegende Annahme, die Rauhigkeit von Oberflächen sei die entscheidende Ursache, bereits Mitte der fünfziger Jahre widerlegt. Damals fanden unter anderem Autokonstrukteure überraschend heraus, daß sich die Reibungskraft verringert, wenn eine Fläche unebener als die andere ist, und sich erhöhen kann, wenn man beide glättet. So verbinden sich beim Kaltschweißen glänzend polierte Metallteile durchaus fest miteinander.

Etwas länger hielt sich die Vorstellung, Reibung werde durch molekulares Haften verursacht – also durch Anziehung zwischen den Teilchen sich berührender Oberflächen. Dazu trug insbesondere die Gruppe um F. Philip Bowden und David Tabor an der Universität Cambridge (Großbritannien) mit einfallsreichen Untersuchungen bei. Zum Beispiel fand sie heraus, daß die Reibungskraft trotz ihrer Unabhängigkeit von der makroskopischen Auflagefläche proportional zur tatsächlichen Kontaktfläche ist, das heißt, zur Summe all der Stellen, an denen sich die beiden Oberflächen mit ihren mikroskopisch feinen Unebenheiten berühren und verzahnen. Aus diesem engen Zusammenhang zwischen Gleitwiderstand und Haftung zogen die Forscher in Cambridge den Schluß, daß Reibung in erster Linie durch Haftbindungskräfte an den Kontaktpunkten verursacht werde; diese seien so stark, daß fortwährend kleinste Bruchstücke abgerieben würden (Bild 1).

Damit war jedoch nicht vereinbar, daß auch bei vernachlässigbarem Verschleiß eine beträchtliche Reibung auftreten kann. Ausgerechnet einer von Tabors Doktoranden, Jacob N. Israelachvili, entwickelte in den siebziger Jahren einen Apparat zur Messung von Reibungskräften im atomaren Bereich und fand damit deutliche Hinweise auf verschleißfreie Reibung – die es nach Tabor nicht geben sollte.

Israelachvili untersuchte die Berührungsstelle zwischen zwei Glimmerplättchen. Dabei nutzte er die Tatsache, daß bei der Spaltung dieses Silicatminerals Oberflächen entstehen, deren Atome in Bereichen bis zu einem Quadratzentimeter – also über mehr als 10 Millionen Atome hinweg – in einer Ebene liegen; die meisten normalen Oberflächen sind dagegen nur etwa 20, glatte Metalle ungefähr 300 Atome weit wirklich flach. Wenn sich zwei Glimmeroberflächen berühren, liegen sie dicht an dicht – ohne atomare Gruben oder Vorsprünge.

In Israelachvilis Meßgerät werden zwei halbe Zylinder mit den runden Außenseiten, auf welche die Glimmerplättchen geklebt sind, überkreuz so aufeinandergelegt, daß sie sich über Federn horizontal in zwei Richtungen gegeneinander verschieben lassen (Bild 2 Mitte). Um die sehr kleine Auflagefläche und den Abstand der aufeinander gleitenden Plättchen zu messen, richten die Wissenschaftler einen Laserstrahl auf den Spalt dazwischen. Die reflektierten Wellen überlagern sich dabei mit den einfallenden und erzeugen so ein aus dunklen und hellen Streifen bestehendes Interferenzmuster, dessen genaue Form von den geometrischen Verhältnissen im Spalt abhängt. Die Auslenkung der Federn zeigt die Reibungskraft an.

Mit diesem Oberflächenkräfte-Apparat ließ sich sehr früh auch für den atomaren Maßstab bestätigen, was Bowden und Tabor aus Experimenten mit makroskopischen Proben abgeleitet hatten: daß die Reibung proportional zur tatsächlichen Kontaktfläche ist. Doch erst fast zwei Jahrzehnte später konnte Israelachvili, nun Professor an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara, mit seiner eigenen Arbeitsgruppe endlich aufklären, wie die Haftung mit der Reibung zusammenhängt. Entscheidend ist demnach nicht ihre Stärke, sondern ihre Irreversibilität, das heißt der Unterschied im Verhalten zweier Flächen, die aneinanderhängen oder gerade voneinander getrennt werden.

Damit war freilich noch immer nichts über den genauen physikalischen Mechanismus gesagt, der die gemessene Reibung verursachte. James A. Greenwood von der Universität Cambridge, einer der maßgeblichen Experten für die Tribologie rauher Oberflächen, faßte die Situation 1992 so zusammen: "Wenn irgendein kluger Mensch erklären könnte, warum es Reibung gibt und warum sie proportional zur tatsächlichen Kontaktfläche ist, wäre unser Problem gelöst."


Anregung von Gitterschwingungen

Gute Aussichten, dieser kluge Mensch zu sein, hat Gary M. McClelland am Almaden-Forschungszentrum der Firma IBM in San José (Kalifornien). Er entwickelte 1980 ein einfaches Modell verschleißfreier Reibung, das auf Schwingungen des Atomgitters beruht. Ähnliche Vorstellungen hatten zwar 1929 bereits G. A. Tomlinson vom Britischen Nationalen Physikalischen Labor sowie – in wesentlich verfeinerter Form – Jeffrey B. Sokoloff und seine Mitarbeiter an der Northeastern University 1978 veröffentlicht. Diese Arbeiten waren jedoch wenig beachtet worden, und McClelland wußte nichts davon.

Reibung aufgrund von Gitterschwingungen entsteht, wenn Atome auf der einen Oberfläche solche auf der anderen beim Vorbeigleiten in Bewegung setzen. (Der Fachausdruck für diese Schwingungen, die letztlich nur eine Art von Schallwellen sind, lautet Phononen.) Dadurch wird ein Teil der mechanischen Energie, die erforderlich ist, um die beiden Flächen gegeneinander zu verschieben, in Schall und schließlich in Wärme umgewandelt. Um den Gleitvorgang aufrechtzuerhalten, muß man diesen Verlust ausgleichen und entsprechend mehr Kraft aufwenden.

Die Stärke der so verursachten Reibung hängt von der Art der rutschenden Materialien ab. Wie Musikinstrumente schwingen auch Festkörper nur mit bestimmten Frequenzen. Wieviel Energie verlorengeht hängt also davon ab, ob das anschlagende Atom eine dieser Eigenschwingungen anregt. Ist das der Fall, entsteht Reibung; tritt dagegen keine Resonanz auf, werden auch praktisch keine Schallwellen erzeugt. Dies eröffnet die faszinierende Perspektive, daß sehr kleine Festkörper, die nur wenige Eigenfrequenzen haben, fast reibungslos gleiten könnten.

Die theoretische Möglichkeit eines nicht nur verschleiß-, sondern auch reibungsfreien Gleitens spornte McClelland zu genauerem Nachforschen an. Zusammen mit seinem Kollegen C. Mathew Mate und anderen wandelte er das Raster-Kraftmikroskop, ein damals neuartiges Instrument zur hochgenauen Abbildung von Oberflächen, so ab, daß sich damit Reibungsphänomene im Nanometerbereich erfassen ließen (Bild 2 rechts). So gelang es erstmals, den Gleitwiderstand auf Wechselwirkungen zwischen einzelnen Atomen zurückzuführen, worüber die Gruppe 1987 in einer bahnbrechenden Veröffentlichung berichtete.

Ein Raster-Kraftmikroskop besteht aus einem nachgebenden Hebelarm mit einer sehr feinen Spitze am Ende. Während sie die Probenoberfläche abtastet, wird sie durch auf sie einwirkende Kräfte abgelenkt. Diese vertikale oder horizontale Verschiebung läßt sich anhand unterschiedlicher elektrischer und optischer Meßgrößen wie Kapazität und Interferenz ermitteln. So kann das Instrument Reibungs-, Haft- und externe Auflagekräfte bis zu einem Piconewton genau messen. (Ein Piconewton – billiardstel Newton – verhält sich, grob gesprochen, zum Gewicht einer Fliege wie letzteres zu dem eines Menschen; zur Raster-Sonden-Mikroskopie siehe Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1989, Seite 62.)

Anfang der neunziger Jahre war es den IBM-Forschern gelungen, ihr Reibungskraft-Mikroskop in einem ultrahohen Vakuum aufzubauen, so daß sie das Gleiten einer Diamantspitze über eine kristalline Diamantfläche untersuchen konnten; die Kontaktfläche betrug dabei schätzungsweise weniger als 20 Atome.

Bei diesen Messungen erwies sich der Gleitwiderstand erstaunlicherweise als unabhängig von der Normalkraft. Nach den klassischen Vorstellungen hätte somit überhaupt keine Reibung auftreten dürfen. Sie war aber nicht nur offensichtlich vorhanden, sondern die Scherspannung (Kraft pro Flächeneinheit), die man aufwenden mußte, um die Gleitbewegung aufrechtzuerhalten, betrug sogar eine Milliarde Newton pro Quadratmeter – ein Wert, bei dem selbst hochfester Stahl bräche.

Dies erhellte schlaglichtartig, wie wenig man auch heute noch über die Ursachen der Reibung weiß: Selbst bei genauer Kenntnis des atomaren Aufbaus eines Gleitkontakts ist es praktisch unmöglich, den Gleitwiderstand an der Berührstelle auch nur der Größenordnung nach abzuschätzen.

Tatsächlich erstreckt sich der Bereich von Scherspannungen, den Nanotribologen gemessen haben, über zwölf Zehnerpotenzen: von 0,01 bis 10 Milliarden Newton pro Quadratmeter. Beispielsweise schob das Team von Roland Lüthi und Ernst Meyer am Physikalischen Institut der Universität Basel mit einem modifizierten Raster-Kraftmikroskop, dessen Spitze fast so fein wie ein einzelnes Atom war, einlagige Inseln aus Buckminsterfulleren-Molekülen (kugelförmigen Käfigen aus 60 Kohlenstoffatomen; siehe Monatsspektrum, Seite 18) über die Oberfläche eines Salzkristalls. Dabei maßen sie Scherspannungen zwischen 10000 und 100000 Newton pro Quadratmeter – Werte, die um Größenordnungen niedriger sind als bei makroskopischen festen Schmiermitteln wie Graphitpulver. (Sie scheinen nur hoch zu sein, weil sie für die tatsächliche Auflagefläche gelten, während sich makroskopische Scherspannungen auf die – normalerweise um einige Zehnerpotenzen größere – scheinbare Kontaktfläche beziehen.) Die Baseler Physiker maßen auch, wieviel Kraft es brauchte, die Spitze des Mikroskops über die Oberseite einer C60-Insel gleiten zu lassen, und stellten fest, daß diese klebriger war als die Oberfläche des Salzkristalls.

Um Zehnerpotenzen geringere Scherspannungen messen meine Mitarbeiter und ich mit einer Quarzkristall-Mikrowaage, die normalerweise dazu dient, Proben von nur einigen Nanogramm abzuwiegen (Bild 2 links). Sie besteht aus einem einzigen Quarzkristall, der mit hoher Frequenz (fünf- bis zehnmillionenmal pro Sekunde) stabil schwingt. Wir lagern auf seiner Oberfläche einen Metallfilm als Elektrode ab und kondensieren darauf eine einatomige Schicht eines anderen Materials. Dieser Belag erniedrigt die Frequenz um einen Wert, der unter anderem davon abhängt, wie gut die abgeschiedenen Teilchen der Schüttelbewegung des Quarzkristalls zu folgen vermögen: Je kleiner die Frequenz der resultierenden Schwingung, desto größer ist die Reibung, die durch das Rubbeln der aufkondensierten Schicht auf den Elektroden entsteht.

Die Quarz-Mikrowaage reagiert zur Zeit als einziges Gerät schnell genug, daß sich damit auch untersuchen läßt, wie die atomare Reibung von der Geschwindigkeit der Gleitbewegung abhängt. Zwar sollte nach dem dritten klassischen Reibungsgesetz keine solche Abhängigkeit bestehen, doch dies hat sich längst als nicht allgemeingültig erwiesen (was Coulomb selbst schon vermutete, aber nicht belegen konnte). Beispielsweise muß ein Autofahrer beim Anhalten im letzten Moment die Bremse etwas lockern, um einen Ruck zu vermeiden, was zeigt, daß sich die Reibung mit abnehmender Geschwindigkeit erhöht.

Dies wurde bislang fast immer auf Veränderungen an den mikroskopischen Kontaktpunkten zurückgeführt: Sie können bei hoher Gleitgeschwindigkeit gleichsam schmelzen, wogegen sich ihre effektive Fläche bei niedriger Geschwindigkeit erhöht, weil sie dann langsamer auseinandergerissen werden und deshalb mehr Zeit haben, Bindungen auszubilden. Wenn aber – wie bei unserer Quarz-Mikrowaage – die Kontaktfläche gleich bleibt, sollte man genau das Gegenteil erwarten, nämlich eine Zunahme der Reibungskraft proportional zur Gleitgeschwindigkeit. Kürzlich konnten wir diese Vermutung an festen, nur ein Atom dicken Filmen auf kristallinen Silber- und Goldoberflächen bestätigen.


Trocken und dennoch schlüpfrig

Auf den ersten Blick völlig unerklärlich schien dagegen, was wir 1989 entdeckten: Feste dünne Kryptonschichten rutschten etwa fünfmal so leicht über eine kristalline Goldoberfläche wie flüssige, wobei die Scherspannung bei einer Gleitgeschwindigkeit von einem Zentimeter pro Sekunde nur minimale 0,5 Newton pro Quadratmeter betrug. Diese Beobachtung lief meinem physikalischen Verständnis derart zuwider, daß ich sie erst mit einjähriger Verspätung veröffentlichte.

Warum sollte die Reibung auf atomarer Ebene bei einem flüssigen Film größer sein als bei einem festen, wo eine flüssige Trennschicht doch in den meisten Alltagssituationen (wie etwa beim Aquaplaning) das Gleiten erleichtert? Die Antwort lieferten Computerstudien, mit denen etliche Wissenschaftler inzwischen nanotribologisches Neuland erschlossen haben; ermöglichen sie doch Einblicke in das Verhalten von Molekülen, die mit keiner anderen Methode zu gewinnen wären (Bild 3). So hat Uzi Landman am Georgia Institute of Technology in Atlanta als erster Kontaktpunkte simuliert; Judith A. Harrison entwickelte an der US-Marineakademie in Annapolis (Maryland) Modelle chemischer Reaktionen an Reibungsflächen (Bild 4), und James Belak analysierte am Lawrence-Livermore-Nationallaboratorium der USA in Livermore (Kalifornien) per Computer spanabhebende Bearbeitung von Werkstücken und Verschleiß von Maschinenteilen.

Das Rätsel der erhöhten Reibungskraft bei Flüssigkeiten lösten Mark O. Robbins und seine Mitarbeiter an der Johns-Hopkins-Universität in Baltimore (Maryland) durch Simulation einatomiger Kryptonschichten auf Goldkristallen. Dabei zeigte sich, daß die Atome des Edelgases in flüssiger Phase, da sie beweglicher als im festen Zustand sind, leichter in den Lücken zwischen den Goldatomen steckenbleiben. Die Situation unterscheidet sich insofern von der wohlbekannten Schmierung, als der Schervorgang bei diesen Versuchen zwischen einer festen und einer flüssigen Oberfläche erfolgt, während er im makroskopischen Fall in der Flüssigkeit selbst stattfindet – das heißt zwischen benachbarten Schichten innerhalb des Schmiermittels –, so daß der Gleitwiderstand von dessen Viskosität abhängt und deshalb gewöhnlich wesentlich geringer ist als am Übergang zwischen Festkörper und Flüssigkeit.

Robbins´ Berechnungen stimmten fast perfekt mit unseren experimentellen Ergebnissen überein. Das war ebenso überraschend wie aufschlußreich, weil in dem Modell alle Reibungskräfte auf Gitterschwingungen (Phononen) zurückgeführt und elektrische Einflüsse vernachlässigt wurden. Diese beruhen auf der elektrostatischen Aufladung (wegen der zum Beispiel ein Luftballon, den man an den Haaren gerieben hat, an der Wand hängenbleibt): Verschiebt man Isolatoroberflächen gegeneinander, trennen sich positive und negative Ladungen und ziehen sich dann an.

Falls mindestens eine Reibungsfläche aus Metall ist, dürften sich zwar kaum Ladungen anreichern; doch könnte eine andere Art elektronischer Reibung auftreten, die Mats Persson von der Chalmers-Universität in Göteborg (Schweden) postuliert und Bo N. J. Persson am Forschungszentrum Jülich eingehend theoretisch erforscht hat. Sie hängt mit dem Widerstand zusammen, den bewegliche Elektronen innerhalb eines Metalls erfahren, wenn sie von der anderen Reibfläche mitgerissen werden.

Obwohl die Existenz dieses Gleitwiderstands gesichert ist, weiß man kaum etwas über seine Stärke. (Vielleicht ist er ein Grund dafür, daß auch kleine Festkörper trotz des Mangels an Resonanzmöglichkeiten nicht vollkommen reibungslos gleiten.) Der Erfolg des von Robbins errechneten Modells scheint zu bedeuten, daß elektronische Effekte nicht wesentlich zur Reibung beitragen.

Zur weiteren Klärung dieses Sachverhalts ermittelten wir vor kurzem, welche Kräfte erforderlich sind, um feste Xenonfilme aus ein oder zwei Atomlagen über eine kristalline Silberfläche zu schieben. Dabei erhielten wir für die zweiatomige Schicht einen um etwa 25 Prozent höheren Wert.

Äußern sich darin die postulierten elektronischen Effekte? Eher nicht. Persson, Robbins und Sokoloff simulierten unabhängig voneinander das Xenon-Silber-System im Computer, und die vorläufigen Ergebnisse ihrer Rechnungen lassen vermuten, daß es Phononen sind, welche die Reibungskraft bei zwei Atomlagen erhöhen. Der Grund wäre letztlich, daß zwei Schichten gleichsam ein klangvolleres Musikinstrument darstellen, bei dem mehr Resonanzfrequenzen angeregt werden können.

Offenbar hängt die Stärke der elektronischen Reibung hauptsächlich von den nächst der Gleitfläche gelegenen Atomen ab. Die zur Simulation von Metalloberflächen gewählten Parameter könnten diesen Effekt leicht überdecken. Mit zunehmender Verfeinerung der Modelle und theoretischen Analysen sollte sich schließlich jedoch zuverlässig abschätzen lassen, welcher Anteil des Energieverlusts beim Gleiten durch elektronische Effekte und welcher durch Gitterschwingungen verursacht wird.


Die neuen Reibungsgesetze

Die jüngsten Fortschritte der Nanotribologie zeigen jedenfalls deutlich, daß die makroskopisch abgeleiteten Reibungsgesetze nicht auf den atomaren Bereich übertragbar sind. Damit sie auch dort gültig bleiben, muß man sie abwandeln und allgemeiner formulieren.

Die Reibungskraft ist demnach zum einen proportional zum Grad der Irreversibilität der Haftung statt einfach zur Stärke der Normalkraft – oder salopper ausgedrückt: Sie hängt vom Verhältnis zwischen der Leichtigkeit ab, mit der zwei Flächen aneinander haften, und der, mit der sie sich trennen lassen. Zweitens ist sie proportional zur tatsächlichen statt zur scheinbaren Auflagefläche. Und drittens schließlich wächst sie linear mit der Verschiebungsgeschwindigkeit an den tatsächlichen Berührungspunkten, sofern keine Erwärmung auftritt und die Gleitgeschwindigkeit wesentlich unter der des Schalls in den betreffenden Körpern bleibt (weil sonst die Gitterschwingungen die Schallenergie nicht mehr schnell genug abtransportieren können).

Die Unterschiede zwischen mikro- und makroskopischen Reibungsphänomenen erscheinen weitaus geringer, wenn man bedenkt, daß die tatsächliche Kontaktfläche zwischen ausgedehnten Körpern in den meisten Fällen proportional zur Auflagekraft zunimmt: Je stärker der Druck, desto mehr Stellen berühren sich. Darum scheint die Reibungskraft, wie von Amontons behauptet, proportional zur Normalkraft zu sein.

Und welche Rolle spielt die Rauhigkeit der Oberflächen? Anscheinend eine sehr geringe. Zuletzt glaubte man, daß sie zumindest dann von Bedeutung sei, wenn zwei Oberflächen im Wechsel immer wieder kurz aneinander hängenbleiben und dann ein Stück weiterrutschen; man denke an kreischende Zugbremsen, Fingernägel auf Schiefertafeln oder den Geigenbogen auf einer Saite. Die Rauhigkeit galt als Grund für den zufälligen Wechsel von Haften und Gleiten.

Steve Granick und seine Mitarbeiter an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign beobachteten jedoch kürzlich denselben Effekt bei geschmierten Kontakten zwischen – zumindest theoretisch – perfekt ebenen Glimmerflächen. Sie ließen Millionen Zyklen einer sinusförmig variierenden Kraft verschleißfrei auf dazwischen eingeschlossene Flüssigkeiten wirken und fanden dabei Hinweise, daß die Zufälligkeit (genauer: das sogenannte 1/f-Rauschen) im Wechsel von Haften und Gleiten eine inhärente Eigenschaft der Reibung selbst sein könnte.

Für die Mikrosystemtechnik fertigt man mittlerweile winzige Bauteile, die kaum mehr mit der Lupe zu erkennen sind, und die Miniaturisierung mechanischer Komponenten schreitet rasch voran. Deshalb könnte, was heute noch als Grundlagenforschung im atomaren Bereich gilt, morgen schon direkte Anwendungen finden. Ein Beispiel ist die Erkenntnis, daß sich verzweigte Kettenmoleküle trotz ihrer höheren Viskosität besser als Schmiermittel eignen als lineare, weil sie auch bei größeren Kräften flüssig bleiben und so die Berührung gegeneinander bewegter Festkörper wirksamer verhindern. Nanotribologen, die Kontaktstellen bekannter Geometrie untersuchen, könnten eines Tages Chemikern dabei helfen, durch Reibung ausgelöste Reaktionen an Oberflächen zu verstehen, oder Materialforschern, verschleißfeste Werkstoffe zu entwickeln. Zudem wird es immer dringlicher, Energie und Rohstoffe zu sparen; dies sollte ein zusätzlicher Anreiz für die Physiker sein, sich um ein tieferes Verständnis der Reibung zu bemühen.

Literaturhinweise

- Zur Geschichte der Tribologie. Von Wilfried J. Bartz. Handbuch der Tribologie und Schmierungstechnik. Band 1. expert, Renningen 1988.

– Tribologie-Handbuch. Von Horst Czichos und Karl H. Habig. Vieweg, Wiesbaden 1992.

– Mikrotribologie: Stand der Forschung und Anwendungsmöglichkeiten. Von T. Schneider und E. Santner. Forschungsberichte der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Band 187. Berlin 1992.

– Reibungskraftmikroskopie. Von Jaime Colchero. Konstanzer Dissertationen, Band 404. Verlag Hartung-Gorre, Konstanz 1993.

– Handbook of Micro/Nanotribology. Herausgegeben von B. Bhushan. CRC Press, 1995.

– Nanotribology: Friction, Wear and Lubrication at the Atomic Scale. Von B. Bhushan, J. N. Israelachvili und U. Landman in: Nature, Band 364, Seiten 607 bis 616; 13. April 1995.

– Physics of Sliding Friction. Herausgegeben von B. N. J. Persson und E. Tosatti. Kluwer, 1996.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 1996, Seite 80
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