Of het nu gaat om voertuigtransmissies, heupprothesen, of kleine sensoren voor het activeren van airbags:de respectieve componenten moeten met minimale wrijving tegen elkaar schuiven om energieverlies en materiaalslijtage te voorkomen. Onderzoek naar het wrijvingsgedrag van nanosystemen, wetenschappers van de Technische Universitaet Muenchen hebben een voorheen onbekende soort wrijving ontdekt die nieuw licht werpt op enkele voorheen onverklaarbare verschijnselen.

Wrijving is een alomtegenwoordig maar vaak vervelend fysiek fenomeen:het veroorzaakt slijtage en energieverlies in machines en in onze gewrichten. Op zoek naar wrijvingsarme componenten voor steeds kleinere componenten, een team van natuurkundigen onder leiding van de professoren Thorsten Hugel en Alexander Holleitner ontdekte nu een voorheen onbekend type wrijving dat ze 'desorptiestok' noemen.

De onderzoekers onderzochten hoe en waarom afzonderlijke polymeermoleculen in verschillende oplosmiddelen over bepaalde oppervlakken glijden of eraan kleven. Hun doel was om de basiswetten van de fysica op moleculaire schaal te begrijpen om gerichte anti-wrijvingsoppervlakken en geschikte smeermiddelen te ontwikkelen.

Voor hun studies bevestigden de wetenschappers het uiteinde van een polymeermolecuul aan de nanometerfijne punt van een zeer gevoelige atoomkrachtmicroscoop (AFM). Terwijl ze het polymeermolecuul over testoppervlakken trokken, de AFM heeft de resulterende krachten gemeten, waaruit de onderzoekers het gedrag van de polymeerspoel direct konden afleiden.

Nieuw wrijvingsmechanisme ontdekt

Naast de twee verwachte wrijvingsmechanismen zoals plakken en glijden ontdekten de onderzoekers een derde voor bepaalde combinaties van polymeer, oplosmiddel en oppervlak.

"Hoewel het polymeer aan het oppervlak blijft kleven, de polymeerstreng kan uit zijn opgerolde conformatie in de omringende oplossing worden getrokken zonder noemenswaardige kracht uit te oefenen, Experimenteel fysicus Thorsten Hugel beschrijft dit gedrag. "De oorzaak is waarschijnlijk een zeer lage interne wrijving in de polymeerspoel."

De sleutel is het oplosmiddel

Verrassend genoeg, desorptiestaaf hangt niet af van de bewegingssnelheid, noch van het steunoppervlak of de kleefkracht van het polymeer. In plaats daarvan, de chemische aard van het oppervlak en de kwaliteit van het oplosmiddel zijn bepalend. Bijvoorbeeld, hydrofoob polystyreen vertoont zuiver glijgedrag wanneer opgelost in chloroform. In water, echter, het toont desorptiestok.

"Het begrip dat is verkregen door onze meting van wrijving met één molecuul opent nieuwe manieren om wrijving te minimaliseren, ", zegt Alexander Holleitner. "In de toekomst, met gerichte bereiding van polymeren, nieuwe oppervlakken kunnen specifiek worden ontwikkeld voor het nano- en micrometerbereik."