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Mikroskopischen Ursachen für Reibung auf der Spur

27.01.1999 - (idw) Ruhr-Universität Bochum

Schmiermittel gibt es zig-tausende, Testreihen, Erfahrungen und Geheimtips noch mehr - aber unklar ist das, was geschieht, wenn Reibung auftritt. Mit ersten Ergebnissen seiner Grundlagenforschung konnte Prof. Dr. Christof Wöll (Physikalische Chemie, Fakultät für Chemie der RUB) den Schleier ein wenig lüften: Die Reibungswärme ist wesentlich mechanisch erzeugt.

Bochum, 27.01.1999
Nr. 25

Warum es wie geschmiert läuft
Mikroskopischen Ursachen für Reibung auf der Spur
Neues aus der Grundlagenforschung zu einem Alltagsproblem


Schmiermittel gibt es zig-tausende, Testreihen, Erfahrungen und Geheimtips noch mehr - aber unklar ist das, was geschieht, wenn Reibung auftritt. Mit ersten Ergebnissen seiner Grundlagenforschung konnte Prof. Dr. Christof Wöll (Physikalische Chemie, Fakultät für Chemie der RUB) den Schleier ein wenig lüften: Die Reibungswärme ist wesentlich mechanisch erzeugt. Experimente mit Metallen und Halbleitern ergaben, daß nur ein geringer Anteil an elektronischer Kopplung und eine hohe Anregung von Phononen - Quanten von Schallschwin-gungen und Wärmebewegung als Schwingung von Kristallgittern - auftritt.

Modelle waren einzige Orientierung

Bislang gab es nur theoretische Modelle, um Reibung zu beschreiben oder rechnerisch vorherzusagen. Seit fünf Jahren arbeitet Prof. Dr. Wöll an Experimenten, die die Theorie überprüfen. Bei diesen Untersuchungen wird - idealisiert - mit dem Grenzfall nur einer Molekülschicht von Schmierstoffen auf Oberflächen von Leitern wie Kupfer und Blei, Halbleitern z.B. Ruthenium sowie dem Isolator Diamant die Reibung gemessen. Als Schmierstoffe werden gesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen wie Hexane, Octane, Nonane und Decane eingesetzt.

Versuchsanordnung entwickelt

Bei der gewählten Versuchsanordnung wird in ein geschlossenes Ultrahochva-kuum-System Helium beschleunigt. In Geschwindigkeit und Richtung wohl definiert - ähnlich wie bei einem Molekularstrahl-Experiment - werden die Heliumatome durch ein kurzfristig geöffnetes "Leck" ins System quasi eingesogen. Nachdem sie von der Oberfläche des Versuchsmaterials, in das sie wegen ihrer geringen Masse nicht eindringen können, abgebremst und reflektiert wurden, entweichen sie durch eine zweite kurzfristige Öffnung. Ihre Geschwindigkeiten vor und nach dem Anstoß mit der Kohlenwasserstoffschicht geben Aufschluß über den Energieverlust und somit über die geleistete Arbeit bzw. überwundene Reibung. Diese Methode wurde speziell für die Messung der Phononen an der Oberfläche entwickelt.

Meist Wärme als Folge von Reibung

Die Auswertung der Messungen ergab, daß die Dämpfung der Bewegung der reibungsmindernden Octanmoleküle auf metallischen Oberflächen durch die Anregung von Phononen oder Wärme gut beschrieben werden kann. Lediglich zwei Forderungen müssen erfüllt sein: Zum einen muß die Frequenz der Bewegung der Octanmoleküle deutlich geringer als die Frequenz der Phononen sein, also der Wärmebewegung der Kristallgitter. Zum anderen dürfen die chemischen Anla-gerungskräfte an die Testoberflächen nicht über den mechanischen Kräften liegen, denn schon geringe chemische Reaktionen können eine erhebliche elektronische Anregung zur Folge haben.

Verbesserung der Versuche

Als nächste Schritte in diesem Projektbereich entwickelt Prof. Wöll neue Versuchsanordnungen, um die beobachteten Phänomene noch genauer messen zu können und einen präzisen Vergleich mit der Theorie zu ermöglichen.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Christof Wöll, Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Chemie,

Physikalische Chemie I, Tel.: 0234/700 -5529, Fax: 0234/7094-182,
E-mail: woell@pc.ruhr-uni-bochum.de
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