Verschleiß von Polymer­ober­flächen in neuem Licht

Materialforscher des OSIM stellen eine Erweiterung des bekannten Prandtl-Modells für Reibung auf atomarer Ebene vor

Stand: 08.07.2019 - 10:00

Seit etwa 30 Jahren werden wellenförmige Strukturen auf elastischen, nachgiebigen Oberflächen mit dem Raster-Kraft-Mikroskop beobachtet. Diese Strukturen entstehen, wenn die Oberfläche mit einer scharfen Spitze abgefahren wird. Bisher konnte deren Entstehung aber noch nicht ausreichend erklärt werden. In der letzen Ausgabe von Physical Review Letters (doi: 10.1103/PhysRevLett.122.256101) stellen Forscher um Prof. Gnecco nun eine Erweiterung des bekannten Prandtl-Modells für Reibung auf atomarer Ebene vor und wenden dieses auf die Bildung solcher Strukturen auf einer gewöhnlichen Polystyrol-Oberfläche an. Dabei wird angenommen, dass eine Spitze in die Oberfläche eindringt und diese visco-plastisch verformt. Gleichzeitig wird die Spitze entlang der Probenoberfläche gezogen, was zu einer elastischen Verformung führt. Basierend auf dieser Idee haben Prof. Juan J. Mazo und seine Kollegen an der Universität Zaragoza innovative numerische 3D-Simulationen entwickelt und durchgeführt. Die theoretischen Ergebnisse konnten von der Doktorandinnen Jana Hennig und Patricia Pedraz durch Oberflächenstrukturierungen mit verschiedenen Scan-Parametern bestätigt werden. Auffallend dabei waren plötzliche Änderungen im Neigungswinkel der Strukturen am Rand des Scan-Bereichs, die beide Gruppen eindeutig mit Randeffekten in Verbindung bringen.

Welche neuen Perspektiven ergeben sich aus den Ergebnissen? Es ist klar, dass das Modell morphologische Änderungen auf nachgiebigen Oberflächen, auf denen in kotrollierter Weise gekratzt wird, vorhersagen kann. Die Vielfalt von Oberflächenstrukturen, die als Resultat des Scan-Prozesses zu erwarten sind, ist nahezu unbegrenzt. Im nächsten Schritt soll nicht nur der Kontakt zwischen Oberfläche und einer einzelnen Spitze betrachtet werden, sondern eine Anordnung von Nanospitzen, die die Oberfläche förmlich "bürsten". Diese Versuche ähneln dem Anfangsstadium von normalen Verschleißprozessen. Außerdem zeigt diese Veröffentlichung, dass die Ausgangsrauigkeit der Oberfläche eine nicht zu vernachlässigende Rolle bei der Verminderung der Randeffekte spielt. Neue interessante Forschungsthemen und Kooperationen mit der spanischen Partnergruppe sind somit in Aussicht und auch andere interessierte Gruppen sind herzlich willkommen.