Künstlerische Darstellung der Raupenbewegung
Eine Gruppe von Physikern des Massachusetts Institute of Technology hat ein Experiment aufgebaut, das die Reibung zwischen Festkörpern auf atomarer Ebene simuliert. Es stellte sich heraus, dass dieser Vorgang unter bestimmten Bedingungen nahezu ohne Energieverlust ablaufen kann. Die Arbeit des Teams wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht und eine Zusammenfassung ist auf der Website der Zeitschrift Nature verfügbar.
Die Autoren der Arbeit haben die Reibung zweier Körper auf folgende Weise nachgeahmt. Die erste der wechselwirkenden Atomschichten bestand aus Ytterbium-Kationen, die durch Coulomb-Kräfte zusammengehalten wurden. Die Oberfläche des zweiten Körpers simulierten die Wissenschaftler mit zwei sich gegenseitig interferierenden Laserstrahlen – die Intensitätsmaxima im Interferenzmuster entsprachen virtuellen Atomen, die Minima den Hohlräumen im Gitter. Die Reibung wurde durch Verschieben von Objekten relativ zueinander durchgeführt.
Wenn die Ionen in die Minima der Interferenz „passen“, beobachteten die Wissenschaftler die maximale Reibung zwischen den Oberflächen. Diese Situation entspricht dem Gleiten eines starren Körpers relativ zu einem anderen. Aber wenn die Forscher den Abstand zwischen benachbarten Ytterbium-Ionen so weit vergrößerten, dass eines der benachbarten Teilchen das Minimum und das zweite das Maximum erreichte, sank die Reibungskraft zwischen den Schichten um eine Größenordnung.
Wissenschaftler verbinden dies mit einer Änderung des Mechanismus, mit dem Schichten relativ zueinander bewegt werden. Wenn die Periodizität der beiden Gitter zusammenfällt, erfolgt die Bewegung ruckartig. Aber in der zweiten Situation, mit größeren Abständen zwischen den Ionen, ähnelte die Bewegung eher dem Verhalten einer Raupe. Eine andere gute Analogie wäre, die Bewegung von Oberflächen relativ zueinander mit der gegenseitigen Drehung geeigneter Zahnräder zu vergleichen.
Der Effekt der „Superschmierung“kann in verschiedenen technischen Systemen Anwendung finden – die Verringerung der Reibung in den beweglichen Teilen von Motoren, möglicherweise sogar im Nanobereich, kann deren Ressourcen erheblich erhöhen oder sogar grundlegend neue Geräte schaffen.
