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Im letzten Jahrzehnt des letzten Jahrhunderts begann der Nano-Hype, das heißt, die öffentliche
Aufmerksamkeit für diese neue Technologie.
Nano-Sphären, Nano-Röhrchen, Nano-Werkstoffe, Nano-Lacke, Nano-Maschinen.
Mit immensem Aufwand wurde geforscht und nanoisiert!
Wo Nano draufstand war modernste Wissenschaft drin. Nano versprach eine Veränderung unserer
bekannten Welt. Natürlich eine Verbesserung unserer Welt. Nanomaschinen sollten in den Blutkreislauf
eingeschleust werden, wo sie dann Ablagerungen abfräsen oder bösartige Wucherungen mit Nano-Lasern
zerstrahlen sollten. Damit das funktioniert wollte man viele hunderttausend solcher kleinen, natürlich autonomen
und vernetzten Kampfeinheiten in den Blutkreislauf injizieren.
Raumschiff Enterprise en miniature, sorry, ich meine natürlich nano! Gerne auch auf Kassenrezept.
Am Beispiel der Medizin lief das aber etwas anders ab. Die Nanopartikel, mit denen man erste Vorversuche
machte (ohne Antrieb und Steuerung) blieben in den Blutkapillaren der Lunge, der Leber oder im Gehirn hängen.
Im günstigsten Fall konnten sie dort von den körpereigenen Fresszellen vertilgt werden. Im ungünstigsten Fall
wurden die Agglomerate eingekapselt, was den körpereigenen Funktionen nicht gerade förderlich war, oder sie
wurden, weil unverdaulich oder toxisch, schleunigst in der Leber oder Lunge sicherheitsverwahrt.
Der menschliche Körper wehrt sich vehement gegen Eindringlinge aller Art. Sogar gegen gutgemeinte. Selbst
Abriebpartikelchen aus den Polyethylen-Lagern der künstlichen Hüftgelenke werden massiv bekämpft. Entzündungen,
Fieber und allergische Reaktionen, sind begleitende Umstände. Funktioniert das auch nicht, versucht der Körper das
Implantat komplett abzustoßen.
Terra, giga, mega, kilo, centi, milli, micro, nano
Nano ist ziemlich wenig. Ein Nanogramm wiegt ein Staubteilchen, das im Sonnenlicht tanzt.
Der Tanz kommt von der Brownschen Molekularbewegung.
Um einen Nanometer sinkt das Luxusschiff Queen Mary 2 tiefer ins Wasser, wenn sich eine Möwe auf die Reling setzt.
Wenn Sie versuchen das kleinstmögliche Stückchen Papier aus der Ecke eines Din A4 Blattes zu schnipseln und sich
wirklich Mühe geben, schaffen sie etwa 100 Mikrogramm.
Zerhackt man eine Kolibakterie in hundert Stücke zeigt das Maßband 20 Nanometer an.
Das Nano-Maßband natürlich.
Nano-Tribologie
Es wurden auch Nano-Tribometer entwickelt und gebaut.
Was braucht man Spezielles dazu? Eine Einrichtung, mit der eine Nano-Bewegung oder einen Nano-Weg
erzeugt wird. Ein Einrichtung, die eine Last erzeugt und eine Reibkraftmesseinrichtung. Ebenfalls im Nano-Maßstab.
Das geht nur mit piezoelektrischen Aktoren und Sensoren. Der Aktor bewegt, der Sensor misst. Das Prinzip kennen
sie aus dem Feuerzeug. Ein Schlag auf den Quarzkristall im Feuerzeug erzeugt eine elektrische Entladung, einen
kleinen Funken. (Diese Erklärung ist nur für Ihre Enkel gedacht!) Etwas präziser: übt man auf einen Quarz- Kristall
eine Druckkraft aus, entsteht eine elektrische Ladung, die in eine elektrische Spannung umgewandelt werden kann
und dadurch messbar wird. Dabei wird der Kristall ein winziges Stückchen kürzer. Oder beim Ziehen etwas länger.
Die Spannung (Ladung) ändert dann ihr Vorzeichen. Legt man eine Spannung an den Kristall an, wird er kürzer,
oder - je nach Polung - länger. Diese Wege sind bei niedriger Spannung sehr klein, im Nano-Bereich. Mit dieser
Technik werden Raster-Kraft-Mikroskope oder Raster-Kraft-Tribometer aufgebaut. Auf entsprechenden Substraten
und bei sorgfältiger Versuchs-Durchführung kann man die Verschiebekräfte von Wassermolekülen bestimmen.
Es gibt relativ wenige praktische Anwendungen für diese Art von Tribometern. Fährt in 500 Meter Abstand die U-Bahn
durch, wird die Messung gestört oder verfälscht.
? Moderne Einspritzventile in Dieselmotoren funktionieren auf dieselbe Weise, mit piezolektrischen Aktoren.
Wie kann man den notwendigen Öffnungsweg von einigen zehntel Millimetern erreichen ?
Man macht ein Paket aus vielen Schichten von Quarz-kristallen übereinander und legt eine hohe Spannung an.
Milli-Newton-Tribometer
Schiebt man ein 100 Gramm Gewicht aus Messing über die Tischplatte (f=0,3), braucht man dazu eine Kraft von
etwa 0,3 N. Nimmt man für den Versuch ein sehr kleines Gewicht von nur
einem Gramm, braucht man eine Kraft von 3 mN.
? Welche Kraft brauchen Sie zum Drücken einer Taste auf Ihrem Laptop?
Etwa 1000 mN (= 1N)
Bild 10.29
Gewichtskräfte im mN Bereich
Bild 10.30
Der kleine Krümel rechts unten neben der Waage wiegt 1 Milligramm.
Mit dem Streichholz als Gewicht könnte man eine Last oder Normalkraft von etwa 1,5 mN erzeugen.
Bild 10.31
Millinewtontribometer
Wenn der Messbereich eines Tribometers von einem bis 1000 mN reichen soll, müsste man also 700 Streichhölzer
auflegen. Das wäre lästig. Eine clevere Methode, Kräfte zu erzeugen, ist das Ausziehen einer Feder oder das Verdrillen
eines Torsionsdrahtes.
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Der Torsionsdraht, der durch ein Schrittmotorgetriebe tordiert wird, erzeugt am Lastarm des Tribometers ein Drehmoment.
An der Probe (Kugel) am Ende des Arms entsteht dadurch eine Abstützkraft auf der Unterprobe. Der Zusammenhang
zwischen Drehwinkel und Kraft ist ziemlich linear. Um eine sehr kleine Kraft zu messen, hier also die Reibkraft, ist es
sinnvoll die Kraft in einen Weg (Federweg) umzuwandeln. Wege, auch sehr kleine, lassen sich auch berührungslos
sehr präzise messen. 100 Nanometer sind kein Problem.
Bild 10.32
1: Probenhalterung Oberprobe.
2: Federband mit Parallelführung .
3: Berührungsloser Wegaufnehmer.
Bild 10.33
Oberprobe Kugel ½ Zoll. Unterprobe auf x-y Schlitten
Wird die Unterprobe auf einem x-y Tisch mit einem elektromotorischen Spindelantrieb aufgespannt, hat man die
wichtigsten Elemente eines Millinewtontribometers beieinander.
 
Bild 10.34 Bild 10.35
Durch Kreuzfedergelenke kann man spielfreie und gleichzeitig reibungsfreie Lagerungen erreichen.
Der Schwenkwinkel darf aber nicht zu groß sein. Maximal ca. 30°.
Bild 10.36
Nachführung der Oberprobe über der Unterprobe
Ein Hauptproblem bei kleinen Normalkräften ist das Nachführen der Kugel (Oberprobe) über der niemals
ebenen Unterprobe. Bei Atomic- Force-Tribometern wird dies durch eine extrem schnelle und technisch
aufwendige Regelstrecke erreicht, die normalkraftgeregelt der Probenoberfläche folgt. Im Beispiel
Millinewtontribometer macht das die Schwerkraft!
Leider ist aber auch hier ein Haar in der Suppe. Die Folge-
Geschwindigkeit der Oberprobe ist bedingt durch das sehr langsame Schwingungsverhalten des Lastarms
mit seinen anmontierten Massen niedrig. Überfährt die Kugel eine Unebenheit zu schnell, hebt der Arm ab.
Umgekehrt kann die Kugel nicht schnell genug in eine Senke abtauchen.
Bei kleinen Gleitgeschwindigkeiten (0,1 mm/s) funktioniert die Schwerkraftführung aber ausgezeichnet.
Höhere Normalkräfte reduzieren dieses Problem signifikant.
Bei kleinster Last und großem Weg schnell zu oszillieren ist hier physikalisch unmöglich.
? Wie vermeidet man „seismische“ Störungen beim Messen von sehr kleinen Kräften ?
Nicht atmen, nicht bewegen. Das Messgerät auf eine schwere Platte stellen (Steinplatte).
Die Platte durch Luftkissen vom vibrierenden Boden trennen. JedenLuftzug vermeiden, auch den aus den
Lüftern von Laptop und Messgerät.
Tribologisch praxisnahe Anforderungen an ein Millinewtontribometer sind etwa folgende:
Gleitgeschwindigkeit: 0.001 bis 1 mm/s
Last: 0,001 N bis 3 N
Hub: 0,1 bis 20 mm
Frequenz: 0,001 bis 1 Hz
Tests: trocken oder geschmiert
Modellsystem: oszillierend
Halterung für verschiedene Prüfkörper- und Prüfkörpergrößen.
Geeignet für Kugel/Platte (oszillierend), Stift/Platte (oszillierend), Zylinder/Platte (quer und längs), Kugel/Prisma (oszillierend).
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