Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Spannender Kontakt: Haftung und Reibung bei der Elektroadhäsion

16.05.2018

Forscher wissen seit Jahrzehnten, dass eine zwischen zwei Objekten angelegte Spannung dazu führen kann, dass sie aneinander haften. Der Effekt hat in neuerer Zeit starkes Interesse von Seiten der Wissenschaft und Industrie gewonnen – für hochmoderne Anwendungen wie Greifarme für Roboter oder Touchscreens. Die theoretischen Grundlagen des Phänomens hat der Jülicher Physiker Bo Persson jetzt genauer erforscht. Seine Arbeit, veröffentlicht im Journal of Chemical Physics, wurde vom American Institute of Physics als Science Highlight ausgewählt.

Vor beinahe 100 Jahren machten die beiden dänischen Ingenieure Alfred Johnsen und Knud Rahbeck eine überraschende Entdeckung: Als sie zwischen einer Metall- und einer Steinplatte eine elektrische Spannung anlegten, begannen die beiden Materialien stark aneinander zu haften. Die Ingenieure beschrieben das Phänomen, das sie Elektroadhäsion nannten, in einem wissenschaftlichen Artikel, den sie 1923 veröffentlichten.

"Durch die angelegte Spannung sammeln sich elektrische Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen auf den beiden Oberflächen an, die zu einer elektrostatischen Anziehung der beiden Flächen führen", erklärt Bo Persson vom Jülicher Peter-Grünberg-Institut. "Diese Anziehung führt zu einer verstärkten Haftung und Reibung." Beide sind wichtige Faktoren in vielen modernen Technologien. Sie bestimmen etwa, wie leicht ein Finger über einen Touchscreen gleitet, und wie präzise und wie zuverlässig Berührungen in elektrische Signale übersetzt werden. Oder welche Kraft ein Roboter-Greifer ausüben muss, um einen Gegenstand sicher zu halten und zu transportieren.

"Ein sehr wichtiger Faktor bei der Reibung ist die Kontaktfläche", erklärt Persson, der sich seit über zwanzig Jahren mit dem Thema beschäftigt. "Je größer die Fläche, umso stärker die Reibung." Oft ist die Fläche jedoch kleiner als man vermuten würde. "Kein Material hat eine völlig glatte Oberfläche, auch wenn es auf den ersten Blick so erscheinen mag. Näher betrachtet zeigen sich kleinste Unebenheiten unterschiedlicher Größe und Tiefe, manche messen Bruchteile von Millimetern, andere nur ein paar Atomlagen", erklärt der Physiker. "Dies bedeutet, dass sich die beiden Oberflächen nur an wenigen Punkten wirklich berühren: Die tatsächliche Kontaktfläche beträgt nur einen Bruchteil der Gesamtfläche." Für einen Autoreifen auf einer Asphaltstraße beispielsweise beträgt sie oft nur etwa einen Quadratzentimeter.

Das spielt auch bei der Elektroadhäsion eine wichtige Rolle, etwa bei berührungsempfindlichen Bildschirmen: Die Bewegung eines Fingers auf einem Touchscreen ist – vereinfacht gesehen – eine Wechselwirkung zwischen zwei elektrisch leitenden Oberflächen, die durch eine dünne elektrisch isolierende Schicht getrennt sind. Wird die Spannung zwischen den zwei Grenzflächen auf einen bestimmten, kritischen Wert erhöht, steigt die Reibung zwischen ihnen schlagartig an. Der Grund dafür ist eine positive Rückkopplung. „Durch die Spannung bildet sich ein elektrisches Feld zwischen den beiden Festkörpern“, erklärt Persson. „Das zieht sie näher aneinander heran. Dies verstärkt den Druck auf die mikroskopischen Unebenheiten der Oberflächen, die sich elastisch verformen – was die effektive Kontaktfläche der beiden Körper vergrößert. Dadurch verstärkt sich das elektrische Feld, was wiederum den Druck erhöht und dadurch die Kontaktfläche weiter vergrößert.“

Mit der von ihm entwickelten Theorie der Kontaktmechanik hat Bo Persson bereits ein mathematisches Modell gefunden, das erstmals die Glätte von Eis beschreibt. Mit den theoretischen Grundlagen für die Reibung der Elektroadhäsion könnten sich in Zukunft vielleicht auch diese Effekte präzise vorhersagen und steuern lassen – zum Beispiel für taktil reagierende und variierbare Displays.

Originalveröffentlichung:

"The dependency of adhesion and friction on electrostatic attraction"; B. N. J. Persson; The Journal of Chemical Physics 148, 144701 (2018)

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Elektroadhäsion
  • Adhäsion
  • Oberflächenhaftung
  • Reibung
Mehr über Forschungszentrum Jülich
  • News

    Bundesverdienstkreuz für Batterieforscher

    Prof. Martin Winter, Gründungsdirektor des Helmholtz-Instituts Münster (HI MS), einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich, hat für seine herausragenden Verdienste im Bereich der Batterieforschung das Bundesverdienstkreuz 1. Klasse erhalten. Der Chemiker, der auch das Batterieforschung ... mehr

    Schnellladefähige Festkörperbatterie entwickelt

    Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen verbunden. Sie enthalten keine flüssigen Teile, die auslaufen oder in Brand geraten könnten. Aus diesem Grund sind sie unempfindlich gegenüber Hitze und gelten als noch deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Li ... mehr

    Filigranes Kunststück mit Stand-up-Molekül

    Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben im Umgang mit einzelnen Molekülen ein neues Maß an Präzision erreicht. Ihnen gelang es, ein hauchdünnes Molekül auf einer ebenen Schicht aus Silberatomen aufzurichten, sodass es entgegen seiner natürlich bevorzugten Lage sicher stehen blei ... mehr

  • Videos

    Zukunft ist unsere Aufgabe: Das Forschungszentrum Jülich

    Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung in den Bereichen Energie und Umwelt sowie Information und Gehirn. Es stellt sich drängenden Fragen der Gegenwart und entwickelt Schlüsseltechnologien für morgen. mehr

    Die (R)Evolution der Elektronenmikroskopie - So funktioniert PICO

    Das Elektronenmikroskop PICO erreicht eine Rekordauflösung von 50 Milliardstel Millimetern. Es ermöglicht Anwendern aus Wissenschaft und Industrie, atomare Strukturen in größtmöglicher Genauigkeit zu untersuchen und Fortschritte in Bereichen wie der Energieforschung oder den Informationstec ... mehr

  • Firmen

    Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich

    Forschungsförderung im Auftrage der Bundesministerien für Bildung und Forschung (BMBF), Wirtschaft (BMWA), Umwelt (BMU) sowie verschiedener Bundesländer. mehr

  • Forschungsinstitute

    Forschungszentrum Jülich GmbH

    Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Gesundheit, Energie & Umwelt sowie Informationstechnologie. Kombiniert mit den beiden Schlüsselkompetenzen Physik und Supercomputing werden in Jül ... mehr

    Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich

    Erfolgreiche Wissenschaft braucht mehr als gute Forschung. Damit öffentliche Förderprogramme ihre Ziele erreichen, Industriepartner und Forschungseinrichtungen gewinnbringend zusammenarbeiten und Forscher über Fördermöglichkeiten in ihrem Arbeitsfeld gut informiert sind, ist Sachverstand im ... mehr

  • q&more Artikel

    Makromolekulare Umgebungen beeinflussen Proteine

    Eine intensive Wechselwirkung von Proteinen mit anderen Makromolekülen kann wichtige Eigenschaften von Proteinen wie z. B. die Translationsbeweglichkeit oder den Konformationszustand signifi kant verändern. mehr

    Koffein-Kick

    Koffein ist die weltweit am weitesten verbreitete psycho­aktive Substanz. Sie findet sich als Wirkstoff in Getränken wie Kaffee, Tee und sog. Energy Drinks. Koffein kann Vigilanz und Aufmerksamkeit erhöhen, Schläfrigkeit reduzieren und die kognitive Leistungsfähigkeit steigern. Seine neurob ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Jörg Fitter

    Jg. 1963, studierte Physik an der Universität Hamburg. Nach seiner Promotion an der FU Berlin war er im Bereich der Neutronenstreuung und der molekularen Biophysik am HahnMeitnerInstitut in Berlin und am Forschungszentrum Jülich tätig. Er habilitierte sich in der Physikalischen Biologie der ... mehr

    Dr. David Elmenhorst

    David Elmenhorst, geb. 1975, studierte Medizin in Aachen und promovierte am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln im Bereich der Schlafforschung. 2008/2009 war er Gastwissenschaftler am Brain Imaging Center des Montreal Neuro­logical Institut in Kanada. Seit 2003 ist er in der A ... mehr

    Prof. Dr. Andreas Bauer

    Andreas Bauer, geb. 1962, studierte Medizin und Philo­sophie in Aachen, Köln und Düsseldorf, wo er auf dem Gebiet der Neurorezeptorautoradiografie promovierte. Seine Facharztausbildung absolvierte er an der Universitätsklinik Köln, er habilitierte an der Universität Düsseldorf im Fach Neuro ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.