Warum es heiß wird, wenn man Dinge aneinander reibt

Forschende enträtseln das Geheimnis der dynamischen Reibung auf atomarer Ebene

Dynamische Reibung auf der atomarer Ebene. (A) Illustration des CO-Moleküls, das auf einer Kupferoberfläche von einer Metallspitze (tip) manipuliert wird. (B) Änderungen der Adsorptionszustände des CO-Moleküls, während sich die Spitze horizontal über die Oberfläche bewegt. Die Wechselwirkungsenergien zwischen der Spitze und CO sind durch verschiedene Linien dargestellt: CO an der oberen Stelle (schwarze Kurve), an der Brückenstelle (rote Kurve) und an der benachbarten oberen Stelle (blaue Kurve). Während sich die Spitze bewegt, folgt der tatsächliche Adsorptionszustand von CO den durchgezogenen Linien. Die Übergänge zwischen den verschiedenen Adsorptionsstellen (grünes Kreuz) bieten wichtige Einblicke in die Feinheiten der dynamischen Reibung. © 2023 Okabayashi, et al, Physical Review Letters and Physical Review B (Foto/Grafik: Universität Regensburg)

Reibung, ein alltägliches Phänomen, hat die Wissenschaft seit Jahrhunderten beschäftigt. Trotz umfangreicher Forschungsarbeiten ist unser Verständnis nach wie vor lückenhaft, was vor allem auf die vielfältigen Wechselwirkungen zurückzuführen ist, die sich über unterschiedliche Längenbereiche erstrecken. Das exakte Verständnis der Kontaktbedingungen zwischen Objekten ist seit langem eine Herausforderung, die erst kürzlich durch Fortschritte in der Rastersondenmikroskopie möglich wurde.

Doch selbst mit diesen technologischen Durchbrüchen blieben die Feinheiten der dynamischen Reibung - die Kraft, die zur Aufrechterhaltung der Bewegung eines Moleküls erforderlich ist - schwer zu erfassen. Während Wissenschaftler*innen die statische Reibung messen konnten, indem sie ein einzelnes Molekül auf einer Oberfläche bewegten, waren sowohl die Messung als auch das theoretische Verständnis der dynamischen Reibung noch nicht vollständig erforscht.
In den Fachzeitschriften Physical Review Letters und Physical Review Bberichtet nun ein Team der Universität Kanazawa (Japan), das Donostia International Physics Center (Spanien) und der Universität Regensburg (Prof. Dr. Franz J. Giessibl, Lehrstuhl für Quanten-Nanowissenschaft) über eine bahnbrechende Studie, die sich mit dieser Herausforderung eingehend befasst. Sie haben die Manipulation eines Kohlenstoffmonoxid (CO)-Moleküls auf einer einkristallinen Kupferoberfläche mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops genauestens untersucht. Gestützt auf Berechnungen geben ihre Ergebnisse Aufschluss über:

Die Positionierung des CO-Moleküls relativ zur Mikroskopspitze und zur Oberfläche.
Über die Beziehung zwischen der durch die Spitze induzierten Bewegung des Moleküls, der Wärmeerzeugung sowie der Haft- und der Gleitreibung.

„Reibung lässt sich letztlich auf die Kräfte atomarer Kontakte zwischen zwei reibenden Körpern zurückführen. Als Modell kann man sich ein Ei im Eierkarton vorstellen, dessen Vertiefungen die bevorzugten Plätze eines darauf "reibenden" Atoms darstellen. Die Kräfte, die zwischen Atomen wirken, haben aber keine so einfache Natur wie die Kräfte, denen ein Ei im Eierkarton unterliegt. Vielmehr unterliegt die Natur dieser Kräfte der Quantenmechanik, und nicht der einfacheren und viel älteren klassischen Mechanik. Professor Okabayashi und seine Kollegen haben nun gefunden, dass beim Schieben eines Kohlenstoffmonoxid-Moleküls über eine Metalloberfläche ein mysteriöser Brückenzustand ausgebildet wird, der nur durch die Quantenmechanik der Reibung beschrieben werden kann“, erklärt Prof. Dr. Giessibl.

Diese Forschungsarbeit zeichnet sich durch ihre unmissverständliche Klarheit über den Reibungsprozess aus. Sie bietet nicht nur neue Einblicke in ein seit langem untersuchtes Phänomen, sondern ebnet auch den Weg für künftige Studien über die atomaren Prozesse bei der Umwandlung mechanischer Energie in Wärme.

Originalpublikationen:

PHYSICAL REVIEW LETTERS
Norio Okabayashi, Thomas Frederiksen, Alexander Liebig, Franz J. Giessibl; „Dynamic Friction Unraveled by Observing an Unexpected Intermediate State in Controlled Molecular Manipulation”; 2023; Phys. Rev. Lett. 131, 148001
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.148001
https://journals.aps.org/prl/accepted/f5075Yc2N5e1d77db92d2f819acd0df5751856c19

PHYSICAL REVIEW B

Norio Okabayashi, Thomas Frederiksen, Alexander Liebig, Franz J. Giessibl, „Energy dissipation of a carbon monoxide molecule manipulated using a metallic tip on copper surfaces”; 2023, Phys. Rev. B 108, 165401
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.165401
https://journals.aps.org/prb/accepted/70075O94N0114242039c12a631f9e8b39eaaabc16

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