Die Temperatur beeinflusst die Reibungseigenschaften stark, da mit steigender Temperatur der Reibungskoeffizient sinkt und die Glätte allmählich zunimmt. Zudem erhöht sich der Verschleiß durch die angesammelte Reibungswärme deutlich, was die Geräte zusätzlich schädigt. Um die Lebensdauer von Geräten zu verlängern, erforschen Wissenschaftler der Universität Leicester die Supraschmierung zur Steigerung der Energieeffizienz. Sie entdeckten, dass eine Senkung der Oberflächentemperatur die Reibung reduziert, indem sie die Auswirkungen zufälliger Vibrationen auf Oberflächenatome kompensiert.
Ein Wissenschaftlerteam der Universität Leicester forscht intensiv an Methoden, Oberflächen noch gleitfähiger zu machen. Dies stellt einen Durchbruch im Verständnis der Superlubrizität dar, bei der zwei Oberflächen beim Gleiten aneinander minimale bis nahezu nicht vorhandene Reibung aufweisen. Das Konzept der Superlubrizität ist mit extrem glatten Oberflächen auf molekularer Ebene, wie beispielsweise Graphen, verbunden. Bisher konnte dieses Phänomen nur unter Laborbedingungen beobachtet werden, bei denen solche Oberflächen in sehr kleinem Maßstab erzeugt werden.
Professor Nikolai Brilliantov von der Universität Leicester und ein internationales Wissenschaftlerteam haben entdeckt, dass zufällige Schwingungen von Oberflächenatomen synchrone Fluktuationen auf Objektoberflächen erzeugen, die zu Reibung führen. Diese Schwingungen bleiben bei allen Temperaturen oberhalb des absoluten Nullpunkts bestehen, und ihre Stärke nimmt mit sinkender Temperatur ab. Dies bedeutet, dass eine Reduzierung der Oberflächentemperatur die Reibungswirkung wirksam verringern kann.
Professor Brilliantov von der Leicester School of Computing and Mathematical Sciences erklärte: „Ein solch drastischer Unterschied zur herkömmlichen Reibung ist faszinierend und bedarf einer Erklärung. Superlubrizität weist weitere überraschende Merkmale auf, wie die ungewöhnliche Abhängigkeit der Reibungskraft von der Gleitgeschwindigkeit, der Temperatur und der Kontaktfläche. All diese Abhängigkeiten widersprechen den Vorhersagen der traditionellen Amontons-Coulomb-Gesetze. Die Aufklärung des rätselhaften Verhaltens der Superlubrizität wird dazu beitragen, extrem niedrige Reibung zu kontrollieren und damit atemberaubende Möglichkeiten für industrielle Anwendungen zu eröffnen.“
Durchbrüche in der Reibung
Supraschmierung ist ein bemerkenswertes Phänomen, das sich stark von herkömmlicher Reibung unterscheidet. In diesem Zustand kann die Reibung geringer sein und wird nicht vom Gewicht eines Objekts beeinflusst. Das bedeutet, dass eine Erhöhung des Objektgewichts von einigen Gramm auf mehrere zehn Kilogramm die Reibungskraft nicht verändert.
Die potenziellen Anwendungsgebiete dieser Technologie zur Reibungsreduzierung in Maschinen und Mechanismen sind vielversprechend. Sie kann die Reibung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden um das 1000- bis 10,000-Fache verringern. Es ist bekannt, dass schwerere Objekte beim Gleiten einen höheren Widerstand erfahren als leichtere – ein Prinzip, das als Amontons-Coulomb-Reibungsgesetz bekannt ist und vor über 300 Jahren formuliert wurde.
Versuchsaufbau und Messungen
Um die Prinzipien der Superlubrizität zu erforschen, stellten die Wissenschaftler einen Kontakt zwischen zwei molekular glatten Oberflächen her. Mithilfe der Lateral Force Microscopy (LFM) maßen sie die Reibungskraft, indem sie eine Spitze über ein Substrat gleiten ließen. Beide Oberflächen waren mit einer Graphenschicht beschichtet . Zusätzlich führten sie umfassende numerische Experimente mit Molekulardynamik-Simulationen durch , um ein realistisches Modell des Phänomens zu entwickeln. Es ist essenziell, dass die Oberflächen inkommensurabel bleiben. Dadurch wird sichergestellt, dass die Erhebungen der einen Oberfläche nicht mit den Vertiefungen der anderen übereinstimmen.
Bei Oberflächen mit einer Temperatur ungleich Null entsteht Reibung aufgrund von Oberflächenwellen, die durch Temperaturschwankungen verursacht werden. Wissenschaftler haben gezeigt, dass Reibung durch die synchronisierte Biegung zweier eng aneinanderliegender Oberflächen entsteht, wodurch Temperaturschwankungen entstehen. Die Oberflächentemperatur beeinflusst direkt die Amplitude dieser synchronen Schwankungen, wobei höhere Temperaturen zu größeren Amplituden führen. Die Größe der Kontaktfläche beeinflusst Oberflächenschwankungen und behindert die Bewegung.
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Zukünftige Möglichkeiten
Nachdem Professor Brilliantov die Bedeutung der Supraschmierung für Energieeffizienz verstanden hatte, fügte er hinzu: „Wir konnten den atomistischen Mechanismus der rätselhaften Unabhängigkeit der Reibungskraft vom Körpergewicht erklären und neue Reibungsgesetze für die Supraschmierung formulieren. Diese Gesetze, obwohl sie in starkem Kontrast zu den Amontons-Coulomb-Gesetzen stehen, beschreiben das Phänomen recht gut. Sobald molekulare, glatte Oberflächenschichten im Millimeter- oder Zentimeterbereich erzeugt werden, werden alle beweglichen, rotierenden und oszillierenden Kontakte in Maschinen und Mechanismen mit solchen Oberflächenschichten überzogen sein. Dies wird den weltweiten Energieverbrauch drastisch senken. Um den Energieverbrauch weiter zu senken, werden die größten Kontakte möglichst bei niedrigen Temperaturen gehalten.“
Quelle : Neue Erkenntnisse über reibungslose Oberflächen ebnen den Weg zu energieeffizienter Technologie
