Quantenmechanik löst Rätsel: Was Oberflächen superglatt macht
Amorpher Kohlenstoff verwandelt sich unter Reibung in eine fast widerstandsfreie Gleitschicht – aber nur manchmal. Warum, war lange unklar. Deutsche und japanische Forscher liefern jetzt eine verblüffende Antwort.
In Industriepumpen wie hier beim Hersteller KSB setzen Beschichtungen aus amorphem Kohlenstoff Reibung und Verschleiß herab. Eine neue Studie zeigt, wie solche Schichten künftig noch wirksamer werden könnten.
Foto: picture alliance/dpa/Bernd Weißbrod
Wenn Ingenieure Werkstoffe für reibungsarme Beschichtungen entwickeln, wollen sie Verunreinigungen in der Regel vermeiden. Ein Team der Osaka Metropolitan University und des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM hat nun jedoch rausgefunden, dass chemische Verunreinigungen wie Wasserstoff und Sauerstoff für extreme Glätte sorgen können. Denn mit ihrer Hilfe wandelt sich amorpher Kohlenstoff unter mechanischer Belastung in eine nahezu reibungsfreie Struktur um.
In 1000 quantenmechanischen Molekulardynamik-Simulationen zeigte das Team um Erstautor Takuya Kuwahara, wie dieser Prozess abläuft. Eine entsprechende Studie ist im Fachjournal Advanced Science erschienen. Mit dem neuen Wissen könnten sich Werkstoffe entwickeln lassen, die zu superglatten Oberflächen führen und Verschleiß deutlich verringern.
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Warum Kohlenstoff widersprüchlich ist
Kohlenstoff ist ein vielseitiger, aber widersprüchlicher Werkstoff. Das zeigt ein Blick auf seine möglichen Zustände:
- Als Diamant bildet er eine der härtesten bekannten Strukturen überhaupt.
- Als Graphit hingegen eines der besten Trockenschmiermittel. Seine übereinander gestapelten Atomlagen gleiten fast widerstandsfrei aneinander vorbei.
- Dazwischen liegt amorpher Kohlenstoff (a-C). Diese ungeordnete Form wird als dünne Beschichtung auf Bauteilen eingesetzt, beispielsweise um Verschleiß zu reduzieren.
Dabei sind die Übergänge fließend: Unter Reibung kann sich amorpher Kohlenstoff an der Kontaktfläche von selbst in eine graphitartige Struktur umwandeln. Fachleute sprechen von scherinduzierter Aromatisierung.
Gelingt dieser Umbau, Gelingt dieser Umbau, sinkt die Reibung so drastisch, dass Fachleute von Superlubricity sprechen. In diesem Zustand gleiten Oberflächen nahezu widerstandsfrei aneinander vorbei. Allerdings tritt der Effekt nicht zuverlässig auf: In manchen Systemen bildet sich die Gleitschicht, in anderen bleibt sie aus. Warum, war bislang unklar.
Warum Verunreinigungen der Schlüssel sind
Das Team um Takuya Kuwahara hat nun eine Erklärung für das unzuverlässige Verhalten gefunden. Demnach sollen ausgerechnet die chemischen Verunreinigungen des Materials dafür verantwortlich sein. In ihren Simulationen haben die Forscher folgenden Prozess ermittelt:
- Fremdatome mit niedriger Valenz – vor allem Wasserstoff und Sauerstoff – gehen weniger als vier chemische Bindungen ein. Dadurch unterbrechen sie das dichte Kohlenstoff-Netzwerk und stabilisieren winzige Nano-Hohlräume im Material.
- Unter anhaltendem Scherstress nutzen die umliegenden Kohlenstoffatome diesen Freiraum, um sich in aromatische Ringstrukturen umzuordnen – ähnlich wie in Graphit oder Graphen.
- Gleichzeitig verhindern die Fremdatome, dass das Material in eine harte, diamantartige Anordnung zurückfällt. Die reibungsarme Gleitschicht bleibt stabil.
In reinem Kohlenstoff und in siliziumdotierten Systemen blieb dieser Umbau dagegen aus. Der Grund: Ihnen fehlten die stabilisierenden Hohlräume.
Was quantenmechanische Simulationen enthüllt haben
Um den Einfluss von Verunreinigungen systematisch zu untersuchen, setzte das Team auf quantenmechanische Simulationen der Molekulardynamik. Anders als klassische MD-Simulationen können diese das Aufbrechen und Neuknüpfen chemischer Bindungen abbilden. Erst dadurch lässt sich der Umbau von amorphem Kohlenstoff auf atomarer Ebene nachvollziehen.
In 1000 Durchläufen variierte das Team nach eigenen Angaben gezielt die eingebetteten Fremdelemente und wertete aus, ob und wie sich graphitartige Strukturen an der Gleitfläche bildeten. Das Ergebnis war laut den Forschenden eindeutig: Die Valenz der Fremdatome entschied über Erfolg oder Misserfolg. Elemente mit weniger als vier Bindungen – wie Wasserstoff und Sauerstoff – konnten die Umwandlung zuverlässig begünstigen. Kohlenstoff ohne Fremdatome und mit Silizium versetztes Material bildete hingegen keine stabilen Gleitschichten aus.
Was das bedeuten könnte
Die Studie könnte die Art des Werkstoffdesigns verändern: Statt Verunreinigungen in Kohlenstoffbeschichtungen möglichst weit zu eliminieren, könnten Ingenieure deren Art und Konzentration künftig gezielt steuern. Ziel wären Beschichtungen, die unter Belastung von selbst reibungsarme Gleitschichten ausbilden, ohne dass es dazu externe Schmierstoffe oder Ähnliches bräuchte.
Anwendungen für ihre Erkenntnisse sehen die Studienautoren denn auch überall dort, wo bewegte Kontaktflächen über Effizienz und Lebensdauer entscheiden: in Lagern, Dichtungen, Pumpen und Antrieben. Allerdings basieren die Ergebnisse bislang ausschließlich auf Simulationen. Eine experimentelle Bestätigung der vorhergesagten atomaren Prozesse steht noch aus.
Als nächstes plant das Team Simulationen mit Kombinationen mehrerer Verunreinigungselemente sowie unter variierenden Druck- und Temperaturbedingungen. „Unser Ziel ist es, Designstrategien für kohlenstoffbasierte Materialien zu entwickeln, die unter realen Bedingungen ultrareibungsarme Grenzflächen bilden und aufrechterhalten können“, so Erstautor Kuwahara.
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