Gleiten ohne Widerstand

In der Nanowelt lassen sich winzige Partikeln auf sauberen Graphitoberflächen bisweilen ganz ohne Reibungsverluste verschieben.

Von Rainer Scharf

Viele vertraute Phänomene unserer Alltagswelt müssen keineswegs auch im Reich der Atome und Moleküle gelten. Ein Beispiel dafür ist die Reibungskraft, die man aufwenden muss, wenn man etwa einen schweren Gegenstand über eine Unterlage ziehen will. Dass die Kraft lediglich vom Gewicht des Objekts und nicht von der Größe der Auflagefläche abhängt, wusste schon Leonardo da Vinci. Doch noch immer ist unklar, wie sich diese einfachen makroskopischen Zusammenhänge aus den atomaren Bewegungen und Kräften ergeben. Tatsächlich gelten in der Welt der Atome und Moleküle andere Regeln. So tritt dort bisweilen gar keine Reibung auf, wenn man nanometergroße Metallpartikeln über eine Oberfläche zieht, wie Forscher von der Universität Münster herausgefunden haben.

Die Objekte, an denen André Schirmeisen und seine Kollegen die Reibung studierten, waren inselförmige kristalline Partikeln aus Antimon, die auf einer extrem reinen und perfekten Graphitoberfläche hafteten. Für molekulare Maßstäbe waren die Inseln riesig: Sie erstreckten sich über Flächen von bis zu 0,3 Quadratmikrometer und bedeckten damit Millionen von Kohlenstoffatomen. Die Graphitoberfläche war makroskopisch betrachtet extrem glatt. Auf atomarer Ebene war sie jedoch recht rauh, denn in ihr wechselten sich Erhebungen und Vertiefungen ab, die von den Atomen beziehungsweise von den Lücken zwischen ihnen herrührten.

Die Forscher tasteten mit der nanometergroßen Spitze eines Rasterkraftmikroskops die Umrisse der Antimoninseln ab und bestimmten ihre Lage auf der Graphitoberfläche. Um eine der Inseln zu verschieben, wurde die Spitze des Mikroskops über ihr positioniert und die Kraft erhöht, mit der sie auf die Unterlage drückte. Dann bewegten die Forscher die Spitze etwa einen Mikrometer weit über die Graphitoberfläche und maßen währenddessen die auftretende Reibungskraft. Abschließend überprüften sie, ob sich das inselförmige Teilchen tatsächlich bewegt hatte. Sie wiederholten dieses Experiment für zahlreiche Partikeln unterschiedlicher Größe.

Wie Schirmeisen und seine Mitarbeiter in der Zeitschrift "Physical Review Letters" (Bd. 101, Nr. 125505) berichten, nahm in drei Viertel aller Fälle die gemessene Reibungskraft proportional mit der Auflagefläche des Teilchens zu. Die Reibung wurde allerdings nicht durch die viel zu geringe Gewichtskraft des Teilchens hervorgerufen, sondern viel mehr durch die Adhäsionskraft, mit der das Teilchen an der Unterlage haftete. Da die Adhäsionskraft durch die Anziehung zwischen den Antimon- und den Kohlenstoffatomen hervorgerufen wird, ist sie proportional zur Auflagefläche.

In einem Viertel aller Fälle jedoch ließen sich die Partikeln verschieben, ohne dass eine messbare Reibungskraft auftrat. Zunächst überprüften die Forscher, ob dieses unerwartete Ergebnis vielleicht auf einen Fehler im Experiment beruhte - etwa, dass die Mikroskopspitze die Teilchen völlig von der Unterlage abgehoben und eine reibungsfreie Bewegung vorgetäuscht hatte oder dass die Partikeln auf Graphitflocken hingen, die sich reibungsfrei über die Graphitoberfläche bewegen konnten. Doch dies war nicht der Fall.

Offenkundig hatte der Effekt etwas mit der Größe der Partikeln zu tun. In früheren Experimenten hatte man beobachtet, dass bei viel kleineren nanometergroßen Teilchen stets Reibungskräfte auftraten. Wenn man derart winzige Teilchen über eine Graphitfläche zog, blieben sie immer wieder in den Lücken zwischen den Kohlenstoffatomen hängen. Erst wenn die Zugkraft groß genug war, konnten sie die im Wege stehenden Atome überwinden und zur nächsten Lücke springen. Die dabei freiwerdende Energie wurde als Wärme an das Graphit abgegeben und ging verloren.

Die vergleichsweise großen Antimoninseln überdecken hingegen viele Kohlenstoffatome und Lücken gleichzeitig. Die Energie, die bei geringfügiger Verschiebung einer solchen Insel frei wird, sollte sich - so eine mögliche Erklärung für die reibungsfreie Bewegung - auf alle Atome des Partikels verteilen und dadurch die weitere Verschiebung erheblich erleichtern. So bliebe die Energie in der Antimoninsel gespeichert und ginge nicht als Reibungswärme verloren. Die Folge: Es tritt keine Reibungskraft auf, und die Insel lässt sich reibungsfrei verschieben.

Gegen diese Erklärung scheint allerdings die Tatsache zu sprechen, dass sich nicht alle Antimoninseln reibungsfrei verschieben ließen. Außerdem traten bei einigen Inseln, die sich zunächst reibungsfrei bewegt hatten, plötzlich doch Reibungskräfte auf. Die Forscher vermuten daher, dass die Reibung letzten Endes durch Spuren molekularer Verunreinigungen auf den Graphitoberflächen verursacht wurde. Durch die Fremdmoleküle, die in den Mulden säßen, könnten sich die Kohlenstoffatome der Graphitoberfläche mit den Antimonatomen der Partikeln verhaken. Wurde bei der Verschiebung der Insel eine der molekularen Verhakungen überwunden, so ging die freiwerdende Energie als Wärme auf das Graphit über und war für die Insel verloren.

In ihrer Summe haben die Verhakungen die beobachteten Reibungskräfte verursacht. Auf einer vollkommen reinen Graphitoberfläche sollten sich deshalb alle Antimoninseln reibungsfrei bewegen können. Diese These wird dadurch gestützt, dass bei stärker verunreinigten Oberflächen fast immer Reibungskräfte wirkten. Auf Oberflächen, die hingegen zusätzlich gereinigt worden waren, ließen sich deutlich mehr, nämlich etwa die Hälfte, der Antimonteilchen reibungsfrei verschieben. Die Forscher um Schirmeisen halten es für möglich, die reibungsfreien Nanoteilchen gezielt in Nanomaschinen mit beweglichen Teilen zu verwenden und dadurch deren Reibung zu vermindern.

Text: F.A.Z., 08.10.2008, Nr. 235 / Seite N2