In der Herbst- und Winterzeit ist wieder häufiger Händereiben angesagt. Eine neue Studie hat untersucht, wie dabei Wärme entsteht. Bildrechte: IMAGO/Westend61

Studie der Uni Regensburg Darum wird es heiß, wenn man Dinge aneinander reibt

07. Oktober 2023, 15:57 Uhr

Sie ist ein alltägliches Phänomen, das trotzdem noch nicht vollständig verstanden ist: die Reibung. Ein Forschungsteam mit Regensburger Beteiligung hat nun auf atomarer Ebene untersucht, wie dabei Wärme entsteht.

Feuer machen mit zwei Holzstücken, starkes Bremsen mit dem Auto oder auch das Händereiben in der kalten Jahreszeit - all dies sind Reibevorgänge, bei denen auch Wärme entsteht. Dieses Phänomen kennt die Menschheit schon seit ihren Anfängen und auch die Wissenschaft beschäftigt sich schon lange damit, so untersuchte bereits Leonardo da Vinci den sogenannten Reibungskoeffizienten. Dennoch sind noch nicht alle Rätsel gelöst, etwa wenn es um die genauen Kontaktbedingungen zwischen Objekten geht.

Ein internationales Forschungsteam, an dem neben der Universität Regensburg auch die Universität Kanazawa (Japan) und das Donostia International Physics Center (Spanien) beteiligt waren, hat nun etwas Licht ins Dunkel gebracht. Dabei halfen auch Fortschritte in der Rastersondenmikroskopie.

Speziell ging es bei der Forschungsarbeit um die dynamische Reibung, also die Kraft, die zur Aufrechterhaltung der Bewegung eines Moleküls erforderlich ist. Diese war im Gegensatz zur statischen Reibung, bei der sich ein einzelnes Molekül auf einer Oberfläche bewegt, theoretisch noch kaum erforscht.

Klassische Mechanik reicht zur Erklärung nicht aus

Das Team um Franz J. Giessibl vom Regensburger Lehrstuhl für Quanten-Nanowissenschaft untersuchte dafür, wie sich Kohlenstoffmonoxid-Moleküle auf einer sogenannten einkristallinen Kupferoberfläche verhalten - also eine Oberfläche mit einem einheitlichen, homogenen Kristallgitter. Die Analyse erfolgte mit einem speziellen Rasterkraftmikroskop, das mit einer nanoskopisch feinen Nadel atomare Kräfte studieren kann.

Dabei überprüften die Experten zum einen, wie sich das Kohlenstoffmonoxid-Molekül relativ zur Mikroskopspitze und zur Oberfläche positioniert. Dazu analysierten sie die Beziehung zwischen der durch die Spitze ausgelösten Bewegung des Moleküls, der Wärmeerzeugung sowie der Haft- und der Gleitreibung.

Das Ergebnis: Es zeigte sich bei der Reibung ein mysteriöser Brückenzustand ausgebildet wird, der nur durch die Quantenmechanik beschrieben werden kann, so Giessibl. Erklärungsversuche durch die einfachere und viel ältere klassische Mechanik reichten in diesem Fall nicht mehr aus.

Kräfte wirken wie bei Ei im Eierkarton

"Reibung lässt sich letztlich auf die Kräfte atomarer Kontakte zwischen zwei reibenden Körpern zurückführen", erklärt der Experte. Dazu gibt er das anschauliche Bild von Eier im Eierkarton, 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", betont Giessibl.

Hier müsste nun noch weiter geforscht werden. Die aktuelle Untersuchung ebnet aber zumindest schon den Weg für künftige Studien über die atomaren Prozesse bei der Umwandlung mechanischer Energie in Wärme.

Links/Studien

Die Studie "Dynamic Friction Unraveled by Observing an Unexpected Intermediate State in Controlled Molecular Manipulation" ist im Fachmagazin "Physical Review Letters" erschienen.

cdi