Reibung ist besser mit Alkohol

Ethanol ist eine gute Umgebung für Reibungs­untersuchungen im Nanobereich

Stand: 19.03.2018 - 13:00

Reibungskraft-Mikroskopie (FFM) unter Ultrahochvakuumbedingungen (UHV) ist eine ausgezeichnete Methode, um mechanische und insbesondere tribologische Eigen­schaften von festen Oberflächen zu untersuchen, da Gitterauflösung leicht erreicht werden kann, obwohl Messungen in UHV kostspielig und zeitraubend sind. Als Alternative hat sich kürzlich die Möglichkeit ergeben, FFM-Experimente in Wasser durchzuführen. Obwohl physikalische Aspekte von FFM-Messungen in flüssiger Umgebung nicht gründlich untersucht wurden, hat es sich gezeigt, dass die Genauig­keit der erfassten Daten im Vergleich zu UHV ohne wesentliche Reduktion erhalten bleibt. Die Aussicht, FFM-Messungen in einer flüssigen Umgebung durch­zuführen, ist eine große Heraus­forderung für jeden Wissen­schaftler, der an solchen Messungen interessiert ist, da das Arbeiten unter diesen Bedingungen in mehreren Labo­ratorien weltweit möglich ist. Mit dem Ziel, die Auswirkungen von FFM-Experi­menten in flüssiger Umgebung zu erhöhen, wird in unserer Arbeit NaCl in Ethanol untersucht. Aufgrund seiner einfachen Struktur ist NaCl einerseits ein Referenz­material in der Nano­tribologie unter UHV-Bedingungen, andererseits stellt seine hohe Löslichkeit in Wasser eine Schwierigkeit dar, wenn dieses Material aus dem Vakuum untersucht wird.

Die Verwendung von Ethanol erlaubte uns, das letzte Problem zu umgehen und zum ersten Mal (nach bestem Wissen) eine Reihe von FFM-Messungen von NaCl mit Gitter­auflösung, nicht in UHV, zu realisieren. Wenn die atomaren Haft­reibungs­kurven unter Verwendung des gut etablierten thermisch aktivierten Prandtl-Tomlinson-Modells analysiert werden, sind die resultierende Oberflächen­wellenenergie und Seitensteifigkeit vergleichbar mit denen von unter UHV-Bedingungen gemes­senem NaCl [Socoliuc et al ., Phys. Rev. Lett. 92, 134301 (2004)]. Außerdem haben wir gefunden, dass während der Arbeit in einer Ethanol­umgebung größere Belastungs­werte an die NaCl-Probe angelegt werden können, ohne ihre Oberfläche zu beschä­digen und trotzdem die Gitter­auflösung beizubehalten. Dies ermöglichte es, einen breiteren dyna­mischen Bereich zu erforschen, da die Reibungsmessungen über einen Bereich von Scangeschwin­digkeiten durchgeführt wurden, die syste­matisch durch die Experi­mente variiert wurden.

Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit der Ben-Gurion Universität des Negev und der Universidad Complutense de Madrid durchgeführt.

Publikation:

Liron Agmon, Itai Shahar, Danny Yosufov, Carlos Pimentel, Carlos M. Pina, Enrico Gnecco, Ronen Berkovich: "Estimation of interaction energy and contact stiffness in atomic-scale sliding on a model sodium chloride surface in ethanol". Scientific Reports 8, 4681 (2018), DOI: 10.1038/s41598-018-22847-z


Link: MfM-Homepage: mfm.uni-jena.de

Bild: Darstellungen der lateralen Reibungskraft von NaCl, die die atomare Gitter­struktur der in Ethanol eingetauchten Oberfläche von NaCl(100) zeigen. (a) 10 × 10 nm² Fläche, gemessen mit Setup I, unter einer externen Normalkraft FN = 12.1 nN und 2D-FFT (kleines Bild). (b) 5 × 5 nm² Fläche, gemessen mit dem Setup II unter einer externen Normalkraft FN = 11 nN.