Bei der Untersuchung potenzieller Schmiermittel für die Nanotechnologie sind Forscher auf ein unerwartetes Phänomen gestoßen: Wie stark die Reibung zwischen zwei Oberflächen ist, hängt in der Nano-Welt nicht nur von Oberflächenbeschaffenheit und chemischer Zusammensetzung ab, sondern auch von der Schichtdicke. Bei Schichten, die nur wenige Atomlagen dick sind, nimmt die Reibung zu, je dünner die Schicht ist. Dieser Effekt, der in den sehr viel größeren Dimensionen der sogenannten Makro-Welt vollkommen unbekannt ist, scheint unabhängig von der chemischen Beschaffenheit des Schmierstoffs zu sein ? er ließ sich bei vier völlig unterschiedlichen Materialien nachweisen. Die Forscher um Changgu Lee von der Columbia-Universität in New York sind sicher, dass die Entdeckung weitreichende Konsequenzen für die verschiedensten nanotechnologischen Anwendungen hat, beispielsweise für die Konstruktion von neuartigen Datenspeichern oder nanomechanischen Systemen.
Das Phänomen entdeckten die Wissenschaftler, als sie winzige Flöckchen von vier verschiedenen Substanzen unter ein Rasterkraftmikroskop legten. Bei dieser Untersuchungsmethode fährt eine winzige Spitze über die Oberfläche der zu untersuchenden Probe und registriert verschiedene Eigenschaften des Materials, darunter auch die Reibung, die zwischen Oberfläche und Spitze entsteht. Die Flöckchen waren zwischen einer und sieben Atomlagen dick und bestanden aus Graphit, Molybdändisulfid, alpha-Bornitrid und Niobdiselenid ? Substanzen, die dank eines schichtartigen Aufbaus häufig als Festschmiermittel verwendet werden. Da sie leicht in extrem dünnen Schichten hergestellt werden können, gelten sie zudem als Hoffnungsträger für den Einsatz in der Nano-Welt, in der es große Probleme mit herkömmlichen flüssigen Schmiermitteln gibt.
Überraschenderweise nahm die Reibung allerdings bei allen vier getesteten Materialien zu, je dünner die Folie wurde. Es scheint sich um ein universelles Phänomen zu handeln, da es sich um vier gänzlich verschiedenen Substanzen mit zum Teil sehr unterschiedlichen Eigenschaften handelt, schlussfolgern die Forscher. Dahinter muss demnach ein mechanisches Problem, eine Art Kräusel-Effekt, stecken: Wenn eine Schicht nur wenige Atomlagen dick ist, wird sie so flexibel, dass darin schon durch den leichtesten Kontakt Falten und Wellen entstehen. Diese vergrößern die Oberfläche und erhöhen damit gleichzeitig deren Anziehungskraft, die auf die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Atomen zurückzuführen ist. Die Folge: Die Reibung nimmt zu. Gestützt wird diese These durch die Beobachtung, dass der Effekt nicht auftritt, wenn die Folie ? selbst wenn sie nur eine einzige Atomlage dick ist ? auf einer Unterlage fixiert wird.
Die Veränderung der Reibung ist ein weiteres Beispiel dafür, dass in der Nano-Welt andere Gesetze herrschen als in der uns umgebenden Makro-Welt, kommentieren die Wissenschaftler. So haben viele Substanzen beispielsweise eine andere Farbe, wenn sie in Form winziger Partikel vorliegen, einige verändern ihre elektrische Leitfähigkeit und wieder andere, wie etwa sehr fein verteiltes Titandioxid, entwickeln völlig neue Eigenschaften.
Changgu Lee (Columbia-Universität, New York) et al.: Science, Bd. 328, S. 76, doi: 10.1126/science.1184167 ddp/wissenschaft.de ? Ilka Lehnen-Beyel
