Reibung ist schwer vorherzusagen und zu kontrollieren, insbesondere da die Kontaktflächen selten vollkommen flach sind. Neue Experimente zeigen, dass das Ausmaß der Reibung zwischen zwei Siliziumoberflächen, selbst in großen Maßstäben, durch die Bildung und das Aufbrechen mikroskopischer chemischer Bindungen zwischen ihnen bestimmt wird. Dadurch ist es möglich, das Ausmaß der Reibung mithilfe von Techniken der Oberflächenchemie zu steuern. Diese Forschung wurde veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchung.
„Es mangelt an quantitativem Verständnis der Reibung, obwohl sie eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung so unterschiedlicher Herausforderungen wie der Vorhersage von Erdbeben und der Reduzierung des Energieverbrauchs in mechanischen Geräten spielt“, sagt Ph.D. Forscher Liang Peng, der das Forschungsprojekt leitete. Das ist keine Kleinigkeit: Reibung ist schätzungsweise für mehr als 20 % unseres weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich. Auch die Kontrolle der Reibung in Maschinen ist wichtig, um den Materialverschleiß zu reduzieren und die Positionierungsgenauigkeit zu erhöhen.
Peng arbeitete mit anderen Forschern des Instituts für Physik und des Van ‚t Hoff Instituts für Molekularwissenschaften der Universität Amsterdam sowie des Advanced Research Centre for Nanolithography (ARCNL) zusammen. Die Forschung ist Teil einer laufenden Zusammenarbeit zur Untersuchung, wie großräumige Reibung auf mikroskopischer Ebene entsteht.
Neue Forschungsmethoden haben es den Forschern in den letzten Jahren ermöglicht, genauer zu untersuchen, was genau passiert, wenn zwei Oberflächen in Kontakt kommen und übereinander gleiten. Entscheidend ist, dass Oberflächen nie vollkommen glatt sind. Auf der Skala eines Nanometers, einem Milliardstel eines Meters, sehen sie aus wie Gebirgslandschaften mit ausgeprägten Gipfeln und Tälern.
Frühere Experimente und numerische Simulationen haben gezeigt, dass die Reibung in diesem kleinen Maßstab weitgehend durch die Bildung und den Bruch von Bindungen zwischen Oberflächenatomen bestimmt wird. Dies wird nicht nur durch die Rauheit der Gleitflächen beeinflusst, sondern auch dadurch, welche Atome oder Moleküle (z. B. Wasser) an der Grenzfläche vorhanden sind.
„Wir haben beschlossen, diese Nanoreibungsmechanismen auf größere, industriell relevante Maßstäbe auszuweiten und anzuwenden“, erklärt Peng. Mit einem speziellen Instrument namens Rheometer untersuchten die Forscher, wie das Ausmaß der Reibung zwischen einer relativ rauen Siliziumkugel und einem glatten Siliziumwafer von der Dichte mikroskopischer chemischer Bindungen an der Grenzfläche abhängt. Silizium (Si) ist aufgrund seiner weit verbreiteten Verwendung in der Halbleiterindustrie ein besonders interessantes Material für die Untersuchung. Aufgrund seiner Häufigkeit in der Erdkruste ist es auch für die Untersuchung von Erdbeben relevant.
Nachdem sie die Oberflächen von Verunreinigungen befreit hatten, stellten die Forscher fest, dass viel weniger Kraft erforderlich ist, um die Kugel über den Wafer zu gleiten – mit anderen Worten, es gibt weniger Reibung –, wenn die Oberflächen länger in reinem Stickstoffgas getrocknet werden. Weitere Experimente zeigten, was auf der Ebene der Atome passiert: Längeres Trocknen verringert die Anzahl der an der Siliziumoberfläche freiliegenden Hydroxylgruppen (OH). Bei Kontakt mit einer anderen Siliziumoberfläche führt das Vorhandensein dieser Gruppen zur Bildung von Silizium-Sauerstoff-Silizium-Bindungen (Si-O-Si) zwischen den beiden Oberflächen.
Die Forschung zeigt, dass zwischen der in großen Maßstäben gemessenen Reibungskraft und der Dichte der mikroskopisch kleinen Si-OH-Gruppen, die vor dem Kontakt auf den beiden Siliziumoberflächen vorhanden sind, ein auffälliger Zusammenhang besteht, der die Anzahl der während des Kontakts hergestellten Si-O-Si-Bindungen steuert. Die Dichte dieser chemischen Bindungen wird durch die Einstellung der Trocknungszeit der gereinigten Oberflächen reguliert. Spannenderweise bedeutet dies, dass es möglich ist, die Reibungskraft zwischen Siliziumoberflächen vorherzusagen und zu kontrollieren.
„Unser Ergebnis ist ziemlich bemerkenswert, weil es ein quantitatives Verständnis der makroskopischen Reibung auf der Grundlage erster Prinzipien zeigt. Unsere Ergebnisse können somit die Wissenslücke schließen, die eine verständnisbasierte Kontrolle der Reibung behindert“, schließt Liang.
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Liang Peng et al., Kontrolle der makroskopischen Reibung durch Grenzflächen-Siloxanbindung, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.226201