Forscher haben eine Methode entwickelt, um die elektronische Reibung zu manipulieren – eine anhaltende Kraft innerhalb von Materialien, selbst auf perfekt glatten Oberflächen – und möglicherweise den Weg für effizientere und langlebigere Technologien zu ebnen. Während herkömmliche Reibung mit Schmiermitteln und Oberflächentechnik angegangen wird, entsteht diese neu kontrollierbare Kraft durch Wechselwirkungen zwischen Elektronen innerhalb der Materialien selbst.
Das Problem mit der „unsichtbaren“ Reibung
Reibung ist eine grundlegende Kraft, die der Bewegung entgegenwirkt und für alltägliche Handlungen wie Gehen oder Anzünden eines Streichholzes unerlässlich ist. In Maschinen ist es eine Hauptquelle für Energieverlust und Verschleiß. Konventionelle Ansätze konzentrieren sich auf die Minimierung der mechanischen Reibung, aber selbst bei perfekter Oberflächenglätte bleibt die elektronische Reibung bestehen. Dies liegt daran, dass Elektronen in Materialien bei ihrer Bewegung interagieren und unabhängig von der Schmierung Energie abbauen. Die Herausforderung besteht darin, dass diese „versteckte“ Reibung auch dann bestehen bleibt, wenn die mechanische Reibung vernachlässigbar ist.
Neues Gerät ermöglicht elektronische Reibungskontrolle
Ein Team unter der Leitung von Zhiping Xu an der Tsinghua-Universität in China konstruierte ein Gerät aus Graphit und einem Halbleiter (entweder Molybdän/Schwefel oder Bor/Stickstoff). Diese Materialien sind von Natur aus gute Festschmierstoffe, was bedeutet, dass es nahezu keine mechanische Reibung zwischen ihnen gibt. Dieser Aufbau ermöglichte es den Forschern, elektronische Reibung zu isolieren und zu untersuchen. Sie entdeckten, dass selbst bei perfektem mechanischem Gleiten die Bewegung Elektronen aufwirbelt und so Energieverluste verursacht.
Zwei Methoden zur Kontrolle der Kraft
Das Team demonstrierte zwei Möglichkeiten, diese elektronische Reibung zu manipulieren:
- Ausüben von Druck: Dies zwingt Elektronen zwischen den Schichten dazu, Zustände zu teilen, wodurch energetisch kostspielige Wechselwirkungen reduziert werden.
- Anlegen einer „Vorspannung“: Dadurch wird reguliert, wie stark das Elektronenmeer gestört wird, wodurch der Reibungsgrad effektiv gesteuert wird.
Sie verfeinerten die Steuerung weiter, indem sie die Spannung an verschiedenen Teilen des Geräts änderten und so fein abgestimmte Einstellungen statt nur eines Ein-/Aus-Schalters ermöglichten.
Warum das wichtig ist
Die erste Beobachtung elektronischer Reibung geht auf das Jahr 1998 zurück, als Forscher bei extrem niedrigen Temperaturen ihr Verschwinden in Supraleitern bemerkten. Seitdem wird in der Branche nach Möglichkeiten gesucht, dies ohne Materialersatz oder zusätzliche Schmiermittel zu kontrollieren. Das ultimative Ziel ist laut Jacqueline Krim von der North Carolina State University die Fernsteuerung der Reibung in Echtzeit – etwa die Anpassung des Schuhgriffs nach Bedarf.
Zukünftige Auswirkungen
Während sich ein umfassendes mathematisches Modell, das alle Reibungsarten verknüpft, noch in der Entwicklung befindet, glaubt Xu, dass diese Ergebnisse vielversprechend für Anwendungen sind, bei denen elektronische Reibung die Energieverschwendung oder den Verschleiß dominiert. Diese Forschung könnte letztendlich zu Geräten mit deutlich längerer Lebensdauer und reduziertem Energieverbrauch führen, indem sie eine bisher unkontrollierbare Ursache der Ineffizienz angeht.
Die Fähigkeit, die elektronische Reibung zu manipulieren, stellt einen wesentlichen Schritt hin zu effizienteren Technologien dar, der möglicherweise Auswirkungen auf Branchen von der Fertigung bis zur Unterhaltungselektronik hat.
