Wenn sich molekulare Sterne reiben
Jülicher Physiker berechnen Reibungsverhalten von Makromolekülen Jülich, 14.10.2011 – Reibung ist allgegenwärtig in unserem täglichen Leben, aber oft unerwünscht, weil sie Wärme verursachen und Material verschleißen kann. Die physikalischen Ursachen der verschiedenen Reibungsphänomene sowie der reibungs­mindernden Effekte von Schmierstoffen im Detail zu verstehen, ist deshalb Ziel der Physik. Wie Reibungsgeschwin­digkeit und Kraftaufwand bei einzelnen Makromolekülen in wässriger Lösung zusammenhängen, fanden Jülicher Forscher nun mit Hilfe von numerischen Methoden und Simulationen heraus. Sie sehen darin einen ersten Schritt zu einem besseren Verständnis von Reibungsprozessen, wie sie etwa in menschlichen Gelenken oder Prothesen zu finden sind. Ihre Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ nachzulesen.
"Die Physiker vom Institute of Complex Systems untersuchten winzige Knäuel aus mittig verbundenen Polymerschnüren, so genannte Sternpolymere. Weil diese leicht in verschiedenen Größen und mit verschiedener Zahl von Polymerarmen herstellbar sind, sind sie ein beliebtes Modellsystem und Kandidat für technische Anwendungen. In ihrer Versuchsanordnung im Computer führten die Forscher jeweils zwei identische Sternpolymere eng aneinander vorbei und berechneten die auftretenden Kräfte. Dabei lenkten sie nur die Mitte der Sterne, die Polymerketten blieben frei beweglich. Beim Annähern fanden die Forscher stets eine widerstrebende, abstoßende Kraft, wie zu erwarten, wenn zwei Körper aufeinander treffen. Die Stärke der Abstoßung ist dabei fast unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Sterne zueinander geschoben wurden. Ganz anders beim Auseinanderziehen: Bei niedriger Geschwindig­keit fanden die Forscher eine abstoßende Kraft, aber bei hoher eine anziehende. "Natürlich interessierte uns die Ursache dafür", berichtet Prof. Roland Winkler vom Jülicher "Institute of Complex Systems". "Eine mögliche Erklärung war die Annahme, dass sich die Polymere der beiden Sterne ineinander schieben und dann nicht so schnell voneinander frei kommen, ein Mechanismus, den andere Forschergruppen vorschlagen."
Doch die Jülicher fanden eine andere Ursache, indem sie die räum­liche Verteilung der Polymerbausteine zu verschiedenen Zeitpunkten während des Reibungsprozesses untersuchten: Die Sternpolymere überlappen kaum, sondern verformen sich beim Aneinander­vorbeischieben im Ganzen, wie weiche homogene Körper. Bei niedrigen Reibungsgeschwindigkeiten platten sich die Knäuel symmetrisch ab und schieben sich rotierend aneinander vorbei. Bei hoher Geschwindigkeit bleibt den Polymerfäden aber nicht ausreichend Zeit, den Weg frei zu machen. Wie Bugwellen müssen die Sternpolymere jeweils einen Teil des Partnermoleküls vor sich herschieben, so dass auch beim Trennen der beiden Moleküle noch Kraft aufgewandt werden muss und der Eindruck von Anziehung entsteht.
Basierend auf ihren Modellen kann das Jülicher Team nun vorhersagen, welcher Kraftaufwand für Reibungsprozesse von Sternpolymeren mit unterschiedlicher Armzahl und bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten nötig ist. "Das mikroskopische Verhalten hat messbaren Einfluss auf die makroskopischen Eigenschaften solcher Systeme", erläutert Winkler. "Ein besseres Verständnis der Zusammenhänge ist nicht nur interessant für die Grundlagenforschung, sondern ist auch erforderlich um nanoskalige Materialien und Maschinen zu entwickeln." Weitere Untersuchungen sollen folgen und ein besseres Verständnis molekularer Reibung ermöglichen.
Originalveröffentlichung:
Nonequilibrium Forces between Dragged Ultrasoft Colloids
Sunil P. Singh, Roland G. Winkler, and Gerhard Gompper
PRL 107, 158301 (2011); DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.158301
Das Bild zeigt die Deformation eines Sternpolymers während des Reibungsprozesses mit einem zweiten, hier nicht gezeigten, Sternpolymer.
Copyright: Forschungszentrum Jülich
Die Reibung zwischen zwei Makromolekülen zeigt diese Computersimulation Jülicher Physiker.
Pressemitteilung mit zwei Filmen auf der Webseite des Forschungszentrums Jülich
Forschung am Institut Theorie der Weichen Materie und Biophysik
Prof. Dr. Roland Winkler
Forschungszentrum Jülich
Theorie der Weichen Materie und Biophysik
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin
Tel. 02461 61-6048