Wissenschaftler lösen das faszinierende Phänomen der Superschmierfähigkeit und formulieren seine Gesetze

Skoltech-Forscher haben erklärt, warum sehr schwache Reibung anderen Gesetzen folgt als die normale Reibung, wie wir sie aus der Schulphysik kennen. Neben anderen unerwarteten und kontraintuitiven Merkmalen zeigen die vom Team formulierten alternativen Reibungsgesetze, warum eine Erhöhung des Gewichts eines Körpers, der entlang einer Oberfläche gleitet, nicht unbedingt zu größerer Reibung führt.

Das Verständnis, wie Reibung auf mikroskopischer Ebene funktioniert, könnte den Weg für die Kontrolle und Nutzung extrem geringer Reibung in zahlreichen Mechanismen ebnen, die weltweit enorme Energiemengen einsparen würden. Die Forscher Bericht ihre Erkenntnisse in Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Bis zu einem gewissen Grad hat jeder ein intuitives Gespür für das sogenannte Amontons-Coulomb-Reibungsgesetz, dessen Erscheinungsformen wir routinemäßig im Alltag beobachten. Vor mehr als 300 Jahren formuliert, heißt es, dass die Reibung, die beispielsweise entsteht, wenn man einen schweren Körper über den Boden zieht, mit dem Gewicht des Körpers zunimmt. Die beiden Werte – Reibungskraft und Körpergewicht – sollen direkt proportional zueinander sein.

„Überraschenderweise gilt dieses Gesetz nicht für Superschmierfähigkeit, den Fall extrem geringer Reibung“, sagt Skoltech-Professor Nikolay Brilliantov, der Hauptforscher der Studie.

„Superschmierreibung, die um Größenordnungen kleiner ist als herkömmliche Reibung, hängt, vereinfacht gesagt, nicht vom Körpergewicht ab. Man kann das Körpergewicht tausendfach erhöhen – sagen wir von einem Kilogramm auf ein paar Tonnen.“ – aber die Reibung ändert sich nicht und bleibt nur bei einem Kilogramm. Dieses Phänomen ist wirklich faszinierend und bedarf einer Erklärung.“

Es gibt noch einige weitere überraschende Merkmale der Superschmierfähigkeit, wie etwa die ungewöhnliche Abhängigkeit der Reibungskraft von der Gleitgeschwindigkeit, der Temperatur und der Kontaktfläche – all dies steht im Widerspruch zu den herkömmlichen Amontons-Coulomb-Gesetzen.

Ein Forscherteam von Skoltech unter der Leitung von Brilliantov hat das Rätsel der Superschmierfähigkeit gelöst. Sie führten eine komplexe Studie durch, mit Experimenten, die von der Gruppe von Professor Albert Nasibulin durchgeführt wurden, numerischen Simulationen, die vom Forschungswissenschaftler Alexey Tsukanov aus Brilliantovs Gruppe durchgeführt wurden, und der theoretischen Konzeptualisierung des Phänomens, die von Brilliantov selbst erstellt wurde.

Das Team erklärte den atomistischen Mechanismus hinter der rätselhaften Unabhängigkeit der Reibungskraft vom Gewicht des gleitenden Körpers (wissenschaftlich ausgedrückt von der „normalen Last“) und formulierte alternative Reibungsgesetze für Superschmierfähigkeit. Sie beschreiben das Phänomen gut, stehen aber in scharfem Kontrast zu den Amontons-Coulomb-Gesetzen.

In einfachen Worten lassen sich die rätselhaften Auswirkungen wie folgt erklären. Superschmierfähigkeit wird mit Oberflächen in Verbindung gebracht, die bis auf die atomare Ebene sehr glatt sind – wie die Oberfläche des kohlenstoffbasierten Materials Graphen. Darüber hinaus sollte der Kontakt der beiden Oberflächen unverhältnismäßig sein. Das bedeutet, dass die Rauheit auf atomarer Ebene (auch Riffelung genannt) der beiden Oberflächen nicht kohärent sein sollte.

Mit anderen Worten: Die potenziellen „Hügel“ einer Oberfläche sollten nicht in die potenziellen „Brunnen“ der anderen passen. Passen „Hügel“ und „Brunnen“ zusammen, verriegeln sich die beiden Flächen und es ist eine erhebliche Kraft nötig, um sie in Bewegung zu setzen. Inkompatible Flächen hingegen verriegeln nicht und gleiten daher leicht.

Dennoch kann es aufgrund thermischer Schwankungen zu Reibung kommen. Die Schwankungen der Kontaktflächen außerhalb der Ebene erhöhen deren Rauheit auf atomarer Ebene merklich, was die Relativbewegung der beiden Oberflächen behindert.

Die Skoltech-Forscher zeigten jedoch, dass nicht alle thermischen Schwankungen wichtig sind – nur diejenigen, die synchron sind, wenn sich die beiden Oberflächen gleichzeitig biegen und dabei in engem Kontakt bleiben. Solche Schwankungen erfordern nur minimale Energie und sind nicht von der normalen Belastung, also dem Gewicht des Gleitkörpers, abhängig. Dies erklärt, warum die Reibung unabhängig vom Gewicht ist. Darüber hinaus treibt das relative Gleiten der Oberflächen diese synchronen Schwankungen – die „Oberflächenfalten“ – in Bewegungsrichtung mit der Gleitgeschwindigkeit.

Ein solcher Antrieb erfordert Energie, die in der Masse des Materials als Wärme abgegeben wird, was zu einer dissipativen Reibungskraft führt, die proportional zur Geschwindigkeit ist.

Je höher die Temperatur der Oberflächen ist, desto größer ist die Amplitude der synchronen Schwankungen. Je größer die Kontaktfläche, desto größer ist die Anzahl der Oberflächenschwankungen, die die Relativbewegung behindern. Die quantitative Analyse dieser Effekte ergibt die jeweiligen Gesetze der Superschmierfähigkeit, über die in der Arbeit berichtet wird.