Forscher der Johns-Hopkins-Universität in Baltimore haben mithilfe einer groß angelegten Computersimulation die Reibung zwischen Körnern einer Größe von nur wenigen hundert Atomdurchmessern untersucht. Dabei stellten die Forscher fest, dass in der Nanowelt eine genaue Kenntnis der atomaren Struktur von Oberflächen für Berechnungen des mechanischen Verhaltens entscheidend ist. Nanomaschinen der Zukunft müssen daher wohl mit einer extrem hohen Präzision hergestellt werden, um nicht ein katastrophales mechanisches Versagen zu erleiden.
Dass die genaue Oberflächenbeschaffenheit von kleinen Körpern von großer Bedeutung für deren mechanisches Verhalten ist ? etwa beim Gleiten über eine ebene Oberfläche ?, sollte eigentlich nicht überraschen. Schließlich nimmt das Verhältnis von Oberflächenatomen zu Atomen im Innern eines Körpers bei dessen Miniaturisierung stetig zu. Mark Robbins und seine Kollegen von der Fakultät für Physik und Astronomie wollten diesen Sachverhalt in ihrer Studie präzisieren.
Dazu simulierten die Forscher das Übereinandergleiten zweier Körper, deren Oberflächen mit Körnern einer Höhe zwischen 10 und 100 Nanometern (Millionstel Millimeter) versehen waren. Ihr Computermodell berechnete dabei die durch den Kontakt ausgelösten Verschiebungen von etwa 10 Millionen Atomen sowohl an der Oberfläche als auch im Innern der Körper.
Die Größe und Anordnung der ?Nanohöcker? ist von entscheidender Bedeutung für die Größe der Reibungskräfte und damit für die durch die mechanische Bewegung freigesetzte Wärme, stellten die Forscher dabei fest. Die Reibung zwischen zwei Körpern aus dem gleichen Material konnte dabei je nach der genauen Struktur ihrer Oberflächen um fast eine Größenordnung variieren, so Robbins.
Reibungswärme könnte in der Tat eines der größten Hindernisse für eine weitere Verkleinerung der in der Technik bereits erfolgreich eingesetzten mikroelektromechanischen Maschinen (so genannten MEMS für micro-electromechanical systems) darstellen. Leistungsfähige Computer ermöglichen Forschern allerdings nun, die Einflüsse einzelner Atome einer Oberfläche auf deren mechanische Eigenschaften zu simulieren ? schließlich lässt sich die Topographie einer Oberfläche im Computer auf das Atom genau festlegen, während dies in der Realität mit heutigen Fabrikationsmethoden noch nicht im großen Maßstab möglich ist.
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Stefan Maier
