Friction of mesoscopic contacts - Analysis by manipulation of nanoparticles using atomic force microscopy

• Applicant: Dr. Dirk Dietzel
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics ; Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 261462831

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Der Begriff „strukturelle Lubrizität“ bezeichnet einen Reibungszustand, bei dem nahezu verschwindende Reibung an Grenzflächen beobachtet werden kann, wenn diese inkommensurabel sind, d.h. keine „Verzahnung“ der Oberflächenpotentiale möglich ist. Ziel des Projektes war es, die grundlegenden Mechanismen dieses Reibungszustandes durch nanotribologische Reibungsmessungen an Nanopartikeln eingehender zu untersuchen. Obwohl man im Fall heterogener Grenzflächen immer von inkommensurablen Bedingungen ausgehen muss, lassen theoretische Berechnungen erwarten, dass die relative Orientierung von Partikel und Substrat, sowie die Form der Grenzflächen einen maßgeblichen Einfluss auf die Reibung haben sollen. Dies konnte nun für Gold- und NaCl-Partikel auf HOPG bestätigt werden, wobei speziell anhand der zweiten Materialkombination zudem noch gezeigt wurde, dass auch die sublineare Reibungsskalierung, ein wesentliches Merkmal struktureller Lubrizität, stark von dem konkreten Grenzflächenzustand abhängen kann. Im Prinzip lassen sich die zuvor beschriebenen Ergebnisse schon in einem Modell starrer Grenzflächen beschreiben. Dies ist jedoch eine idealisierte Vorstellung, wie weitere Untersuchungen des Projektes gezeigt haben. Konkret konnte durch die Analyse des nanoskaligen Stick-Slips von Sb-Nanopartikeln auf HOPG gezeigt werden, dass es während der Haltephasen der Bewegung zu Anpassungseffekten an der Grenzfläche, kommen kann. Durch solche Kontaktalterungsprozesse, die z.B. der Ausbildung kommensurabler Bereiche zugeschrieben werden können, kann sich die effektive Energiebarriere erhöhen, während das prinzipielle Reibungsverhalten noch den Gesetzmäßigkeiten der strukturellen Lubrizität folgt. Deutlichere Abweichungen vom Modell starrer Grenzflächen konnten für Sb-Partikel auf MoS2 gefunden werden. Dort ließ sich eine kritische Systemgröße nachweisen, oberhalb der die charakteristische, sublineare Flächenskalierung der Reibung zusammenbrach. Basierend auf aktuellen Theorien zur Ausbildung von Versetzungen in Nanopartikelsystemen und unter Berechnung der Wechselwirkungsstärke durch ab-initio Rechnungen zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen der theoretisch erwarteten und experimentell gefundenen kritischen Systemgröße. Diese Ergebnisse sind insofern sehr interessant, da sie auch für potentielle technische Anwendungen eine fundamentale Limitierung der strukturellen Lubrizität darstellen können. Für Graphit hingegen, das zurzeit wichtigste Material für strukturelle Lubrizität, konnte bislang kein intrinsischer Zusammenbruch der strukturellen Lubrizität gefunden werden. Hier wurde mit NaCl-Partikeln auf HOPG sogar ein neues Materialsystem entdeckt, das hinsichtlich seiner Präparation sehr robust gegen Kontaminationseffekte ist. Obwohl wesentliche Prozessschritte unter Umgebungsbedingungen abliefen, zeigte die Grenzflächenreibung wichtige Merkmale struktureller Lubrizität.

Publications

• “Universal Aging Mechanism for Static and Sliding Friction of Metallic Nanoparticles” Physical Review Letters, S 117, 025502 (2016)
  M. Feldmann, D. Dietzel, A. Tekiel, J. Topple, P. Grütter, A. Schirmeisen
  
• Image Contrast Mechanisms in Dynamic Friction Force Microscopy: Antimony Particles on Graphite. Journal of Applied Physics 121, 044307 (2017)
  F. Mertens, T. Göddenhenrich, D. Dietzel, A. Schirmeisen
  
• Time Strengthening of Crystal Nanocontacts. Physical Review Letters 118, 246101 (2017)
  J. J. Mazo, D. Dietzel, A. Schirmeisen, J.G. Vilhena, E. Gnecco
  
• “Limitations of structural superlubricity: Chemical bonds versus contact size”. ACS Nano 11, 7642–7647 (2017)
  D. Dietzel, J. Brndiar, I. Stich, A. Schirmeisen
  
• Friction Fluctuations of Gold Nanoparticles in the Superlubric Regime. Nanotechnology 29, 155702 (2018)
  D. Dietzel, A. S. de Wijn, M. Vorholzer, A. Schirmeisen
  
• Recent highlights in nanoscale and mesoscale friction. Beilstein Journal of Nanotechnology 9, 1995 (2018)
  A. Vanossi, D. Dietzel, A. Schirmeisen, E. Meyer, R. Pawlak, T. Glatzel, M. Kisiel, S. Kawai, N. Manini