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Nachrichten und Pressemeldungen aus Labor und Analytik

05.09.2002

Reibung zwischen einzelnen Atomen erstmals gemessen


Wissenschaftlern am Augsburger Lehrstuhl für Experimentalphysik VI/Elektronische Korrelationen und Magnetismus (Prof. Dr. Jochen Mannhart) ist es gelungen, erstmals die Reibung zwischen einzelnen Atomen zu messen. Priv. Doz. Dr. Franz Gießibl und Kollegen berichten über diesen wissenschaftlichen Erfolg im Artikel Nr. 1605 der aktuellen Ausgabe der US-amerikanischen Zeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS)*. Mit der neuen rasterkraftmikroskopischen Technik kann künftig nicht nur die Reibung detaillierter studiert werden; vielmehr eröffnet sich hier auch ein Weg zu einem besseren, insbesondere für die Nanotechnologie wichtigen Verständnis der Bindungsverhältnisse von Oberflächenatomen.

Reibung ist ein Alltagsphänomen: Schiebt man einen Stuhl über den Fußboden, muss man dazu Energie aufwenden. Auf mikroskopischer Skala betrachtet ist dies ein großes Rätsel, denn die Kräfte zwischen den Bestandteilen des Stuhls und des Fußbodens, zwischen den einzelnen Atomen also, sind konservativ. "Konservativ" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass man die Energie, die man aufwenden muss, wenn man zwei aneinander gebundene Atome auseinander zieht, zurück bekommt, wenn man deren Abstand wieder verringert. Auf die Welt im Großen übertragen würde das heißen, dass man den Stuhl zuerst zwar anschieben muss, um ihn zu verschieben, dass er dann aber, wenn er einmal angeschoben ist, eigentlich ungebremst weiterrutschen müsste.

Weshalb dies nicht so ist - den Mechanismus also, aus dem sich atomare Reibung ergibt - hat G. A. Tomlinson bereits im Jahr 1929 beschrieben, und zwar als das "gegenseitige Anzupfen einzelner Oberflächenatome", wenn diese durch laterale Kräfte ausgelenkt werden und wieder in ihre Ruhelagen "zurückschnalzen". Reibung ist dabei entstehende Energiedissipation: der durch die Umwandlung der aufgewandten Energie in Wärme verursachte Verlust an mechanisch nutzbarer Energie. Diesen Mechanismus kann man in der Makrowelt nachbilden: Spannt man die Saite einer Gitarre, so muss man dazu über die Wegstrecke der Saitenauslenkung eine Kraft ausüben und damit Energie aufwenden. Wenn man die Saite langsam zurückbewegt, bleibt die gespeicherte Energie mechanisch nutzbar - man könnte zum Beispiel ein Gewicht damit hochheben. Falls die Saite beim Spannen aber entwischt, ist die aufgewandte Energie nicht mehr mechanisch nutzbar - sie wird als Schall abgestrahlt und letztlich in Wärme verwandelt.

Die Messungen der Augsburger Physiker sind nun der erste experimentelle Nachweis dieses vor gut 70 Jahren erstmals beschriebenen Mechanismus, der atomare Reibung verursacht. Mit Experimenten an einem neuartigen Rasterkraftmikroskop ist es Gießibl und Kollegen gelungen zu zeigen, dass der Energieverlust und damit die Reibung dann auftritt, wenn zwei Atome so weit auseinandergezogen werden, dass deren maximale Haftkraft überschritten wird. Die Atome "schnalzen" dann in ihre Ausgangslage zurück, wo sie mit einer Frequenz von Tera-Hertz (1 000 000 000 000 Schwingungen pro Sekunde) oszillieren und die gespeicherte Energie in Form von Wärme an ihre Umgebung abgeben. Dieser "Tomlinson"-Mechanismus ist der wesentliche für Reibung verantwortliche Effekt. Daneben gibt es noch kleinere Beiträge zur Reibungskraft, z. B. elektronische Effekte.

Um die Reibungskraft zwischen einer Wolframspitze und einer Siliziumoberfläche zu messen, benutzten die Augsburger Physiker die Frequenzmodulations-Lateralkraftmikroskopie, eine spezielle Variante der Rasterkraftmikroskopie. Die Rasterkraftmikroskopie nutzt stets einen empfindlichen Federbalken mit einer atomar scharfen Spitze, um die Kräfte zwischen dem Spitzenatom und einer Oberfläche zu messen. Bei der Frequenzmodulations-Lateralkraftmikroskopie wird die Spitze, die mit konstanter Amplitude parallel zu einer Oberfläche schwingt, über diese Oberfläche gerastert. Der Reibungsverlust zwischen Spitzen- und Probenatom entspricht der einfach zu messenden Energie, die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Amplitude nötig ist.

Quelle: idw/Universität Augsburg




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