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 aktiv daran, Oberflächen noch rutschiger zu machen. Dies ist ein Durchbruch im Verständnis der Supraschmierung, bei der zwei Oberflächen zeigen minimale bis fast keine Reibung beim Gleiten aneinander. Die Konzept der Supraschmierung ist mit sehr glatten Oberflächen auf molekularer Ebene verbunden, wie beispielsweise Graphen. Es wurde bisher nur unter Laborbedingungen beobachtet, wo diese Oberflächen in sehr kleinem Maßstab erzeugt werden.
Professor Nikolai Brilliantov Ein internationales Wissenschaftlerteam der Universität Leicester hat herausgefunden, dass zufällige Schwingungen von Oberflächenatomen synchrone Schwankungen auf Objektoberflächen erzeugen und so Reibung verursachen. Schwingungen bleiben bei allen Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt bestehen, ihre Stärke nimmt jedoch mit sinkender Temperatur ab. Dies bedeutet, dass eine Verringerung der Oberflächentemperatur die Auswirkungen der Reibung wirksam verringern kann.
Professor Brilliantov von der Leicester School of Computing and Mathematical Sciences sagte: Ein solch dramatischer Unterschied zur herkömmlichen Reibung ist faszinierend und bedarf einer Erklärung. Es gibt weitere überraschende Merkmale der Supraschmierung, wie beispielsweise die ungewöhnliche Abhängigkeit der Reibungskraft von Gleitgeschwindigkeit, Temperatur und Kontaktfläche. All diese Abhängigkeiten stehen im Widerspruch zu den Vorhersagen der traditionellen Amontons-Coulomb-Gesetze. Die Erklärung des rätselhaften Verhaltens der Supraschmierung wird dazu beitragen, die ultraniedrige Reibung zu kontrollieren, was atemberaubende Horizonte für ihre industriellen Anwendungen eröffnen kann.“
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 Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie zur Reduzierung der Reibung in Maschinen und Mechanismen sind sehr vielversprechend. Sie kann Reduzieren Sie die Reibung um das 1000- bis 10,000-fache im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Es ist eine bekannte Tatsache, dass schwerere Objekte im Vergleich zu leichteren einen größeren Widerstand beim Gleiten erfahren, ein Prinzip, das als Amontons-Coulomb-Reibungsgesetz, die vor über 300 Jahren gegründet wurde.
Versuchsaufbau und Messungen
Um die Prinzipien der Supraschmierung zu erforschen, Forscher stellten Kontakt her zwischen zwei molekular glatte Oberflächen. Mittels Lateralkraftmikroskopie maßen sie die Reibungskraft, indem sie eine Spitze über ein Substrat gleiten ließen. Beide waren beschichtet mit eine Schicht aus Graphen. Außerdem führten sie umfangreiche numerische Experimente durch mit Molekulardynamische Simulationen ein realistisches Modell des Phänomens zu entwickeln. Es ist wichtig, dass die Oberflächen inkommensurabel bleiben. Dies garantiert, dass die Spitzen einer Oberfläche nicht ausrichten mit den Tälern der anderen Oberfläche.
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 erschweren den Weg zu energieeffizienter Technologie
