Deuterium verringert die Reibung

Wenn sich Schwingungen von Wasserstoffatomen in Wärme niederschlagen

Von Rainer Scharf

Gleitet ein Gegenstand auf einer Unterlage, so treten Reibungskräfte auf, und seine Bewegungsenergie wird in Wärme umgewandelt. Hinter diesem alltäglichen Phänomen steht ein kompliziertes mikroskopisches und molekulares Geschehen. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung mechanischer Geräte machen sich auch Reibungseffekte zwischen nanometergroßen Objekten bemerkbar. Diese "Nanoreibung" folgt oftmals anderen Gesetzen als herkömmliche Reibungseffekte. So kann sie merklich vom Isotopengehalt der benutzten Materialien abhängen, wie Experimente an der Universität von Wisconsin zeigen.

Um die Reibung im molekularen Maßstab untersuchen zu können, haben Rachel Cannara und ihre Kollegen die Spitze eines Rasterkraftmikroskops über Oberflächen von unterschiedlichen Materialien bewegt. Die Spitze, die die Form einer Kugel mit einem Radius von etwa 50 Nanometern hatte, wurde dabei unterschiedlich fest auf die Oberfläche gedrückt. Für jede Andruckkraft wurde die auftretende Reibungskraft gemessen. Als Materialien benutzten die Forscher Einkristalle aus Kohlenstoff - also Diamanten - und aus Silizium, deren Oberflächen sie entweder mit normalem Wasserstoff oder mit dessen schwerem Isotop Deuterium beschichtet hatten.

Die Wasserstoffatome verbanden sich mit den an der Kristalloberfläche sitzenden Kohlenstoff- oder Siliziumatomen, die aufgrund ihrer Randlage noch freie Valenzen hatten. Es bildete sich eine monoatomare Wasserstoffschicht, die die Kristalloberflächen völlig bedeckte. Mit der Mikroskopspitze bestimmten die Forscher zunächst die Reibungskraft, die auf den beschichteten Diamanten auftrat. Wie sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Science" (Bd. 318, S. 780) berichten, war bei einer Beschichtung mit Deuterium die Reibung um mehr als zwanzig Prozent geringer als bei einer Beschichtung mit normalem Wasserstoff. Auch bei den Siliziumkristallen fiel die Reibung merklich schwächer aus, wenn sie mit Deuterium beschichtet waren.

Es stellt sich die Frage, wieso Deuterium die Oberflächen "glatter" macht als normaler Wasserstoff. Chemische Kräfte können dafür nicht verantwortlich sein. Da die beiden Wasserstoffisotope praktisch dieselben chemischen Eigenschaften haben, ziehen die mit ihnen beschichteten Oberflächen die Mikroskopspitze nahezu gleich stark an. Tatsächlich sind im Wesentlichen die mechanischen Eigenschaften der an die Kristalle gebundenen Wasserstoffatome für die unterschiedliche Stärke der Reibungskräfte verantwortlich.

Bewegt sich die Mikroskopspitze über die beschichtete Oberfläche, so regt sie die Wasserstoffatome zu Schwingungen an, die schließlich auf die Kristallatome übergehen und so den Kristall erwärmen. Auf diese Weise verliert die Spitze ihre Bewegungsenergie. Da die Deuteriumatome doppelt so schwer sind wie die normalen Wasserstoffatome, aber genauso fest an die Oberfläche gebunden sind, schwingen sie merklich langsamer. Die Deuteriumschicht wandelt deshalb die Bewegungsenergie langsamer in Wärme um als die Schicht aus normalem Wasserstoff, und die Reibungskraft fällt entsprechend geringer aus.

Außer von den mechanischen Eigenschaften der Oberflächenatome könnte die Reibung auch noch von anderen Faktoren abhängen, zum Beispiel von Fehlern in der Struktur der ansonsten regelmäßigen Kristalloberfläche oder von Deformationen, die durch die Mikroskopspitze hervorgerufen wurden. Die Nanoreibung muss deshalb noch weiter untersucht werden, wenn man störungsfrei funktionierende Mikro- und Nanomaschinen bauen will.

Text: F.A.Z., 14.11.2007, Nr. 265 / Seite N3