Schon seit Jahren arbeiten Forscher intensiv daran, Maschinen auf Größen von unterhalb eines Millimeters zu verkleinern. Eines der Hauptprobleme für die Funktionsweise derartiger mikroelektromechanischer Maschinen, so genannter MEMS, stellen allerdings Reibungskräfte zwischen deren Komponenten dar. Amerikanische Wissenschaftler haben nun herausgefunden, dass die Reibung mitnichten bei atomar glatten Bauteilen am geringsten ist, sondern vielmehr bei einer optimalen Oberflächenrauigkeit.
Da das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bei der Verkleinerung von mechanischen Bauteilen zunimmt, steigt auch die durch Adhäsionkräfte zwischen aneinandergrenzenden Oberflächen verursachte Reibung an, so Deli Liu. Bei Experimenten mit Siliziumoberflächen unterschiedlicher Rauigkeit hat seine Forschergruppe am Worcester Polytecnic Institute nun herausgefunden, dass die Adhäsionskräfte und somit die Reibung für eine bestimmte, optimale Oberflächenrauhigkeit minimiert werden können.
Die Forscher bestimmten in ihrer Studie die Stärke der Adhesionskräfte zwischen den Siliziumoberflächen und der Spitze eines Rasterkraftmikroskops. Obwohl das Ergebnis auf den ersten Blick überraschend anmutet, lässt es sich relativ einfach erkären: Wenn die Siliziumoberfläche nämlich atomar glatt ist, so kann die Spitze mit dieser in engen Kontakt kommen. Eine kleine Oberflächenrauhigkeit hingegen vergrößert den gegenseitigen Abstand der beiden Komponenten, so dass die Adhäsionskräfte zwischen ihnen abfallen.
Sobald die Rauigkeit jedoch diesen optimalen Wert überschreitet, steigen die gegenseitigen Anziehungskräfte wieder an, da sich die Spitze nun in den Bergen und Tälern der Siliziumoberfläche verhaken kann. Liu glaubt daher, dass seine Ergebnisse die Herstellung effizienterer mikromechanischer Maschinen erlauben wird, und möchte seine Studie nun auf unterschiedliche Materialien erweitern.
Applied Physics Letters, Bd. 91, Artikel 043107 Stefan Maier
