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Autor(en): Bohlein, Thomas
Titel: Getriebene kolloidale Monolagen auf lichtinduzierten Substratpotentialen
Sonstige Titel: Colloidal monolayers driven across light-induced substrates
Erscheinungsdatum: 2013
Dokumentart: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-82789
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/5108
http://dx.doi.org/10.18419/opus-5091
Zusammenfassung: Reibung lässt sich auf makroskopischer Längenskala durch das Amontonsche Gesetz beschreiben, welches besagt, dass Reibungs- und Normalkraft zueinander direkt proportional sind. Dieser einfache Zusammenhang beruht auf dem Scheren unzähliger Mikrokontakte, ein Mechanismus, der erst in den 1950er Jahren theoretisch verstanden und erst nach der Jahrtausendwende experimentell aufgelöst wurde. Um grundlegende Erkenntnisse über Reibung zu gewinnen, müssen allerdings die Mechanismen verstanden werden, die zum Brechen eines einzelnen Mikrokontakts führen, also Prozesse, die auf Längenskalen von Mikro- bis Nanometern ablaufen. Dies führte zur Entwicklung des Forschungsfelds der Nanotribologie, welches Reibung, Schmierung und Verschleiß auf der Nanoskala behandelt. Ein wichtiges theoretisches Werkzeug der Nanotribologie sind simplifizierte tribologische Modelle, wie das Tomlinson oder das Frenkel-Kontorova (FK) Modell. Das Tomlinson Modell beschreibt punktförmige Kontakte, für realistischere, d.h. ausgedehnte Kontaktgeometrien wird von theoretischer Seite das getriebene Frenkel-Kontorova Modell verwendet. Während die Vorhersagen des Tomlinson Modells durch Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop bestätigt wurden, existiert bisher kein experimentelles System, um das FK Modell detailliert zu studieren. Von besonderem Interesse sind hierbei sog. topologische Solitonen, die im Rahmen des Frenkel-Kontorova Modells vorhergesagt werden und welche einen effizienten Mechanismus für den Massentransport auf kleinen Längenskalen darstellen. Die gezielte Erzeugung und Manipulation topologischer Solitonen bietet eine Perspektive, Reibung auch auf der Nanoskala zu reduzieren. In dieser Arbeit wird die erste experimentelle Realisierung eines zweidimensionalen getriebenen Frenkel-Kontorova Modells verwirklicht. Hierfür dienen kolloidale Monolagen miteinander wechselwirkender Partikel, welche über stationäre lichtinduzierte Substratpotentiale getrieben werden. Der Aufbau erweist sich dabei als ideales Modellsystem, da nahezu alle relevanten Parameter in situ variiert werden können. Die geladenen Partikel wechselwirken repulsiv mittels eines Yukawa Potentials, dessen Reichweite über die Ionenkonzentration der Lösung kontrolliert wird. Die Interferenz mehrerer Laserstrahlen erlaubt es, ausgedehnte Lichtfelder mit mehreren zehntausend Minima zu erzeugen, welche als Substratpotential für die kolloidale Monolage dienen. Durch Änderung von Anzahl und Anordnung der Strahlen können sowohl periodische, als auch quasiperiodische Substratpotentiale generiert werden, deren Längenskalen durch Änderung des Einfallswinkels der Strahlen variiert werden können.
On a macroscopic length scale friction can be described by Amontons' law, which states that the friction and the normal force are directly proportional. This simple relation is based on the shearing of countless micro-contacts, a mechanism which was understood theoretically only in the 1950s. To gain a fundamental understanding of the mechanisms of friction, however, the processes leading to the breaking of a single micro-contact must be understood. This led to the emergence of the field of nanotribology. An important theoretical tool of nanotribological research are so called simplified tribological models, like the Tomlinson or the Frenkel-Kontorova (FK) model. The Tomlinson model describes point contacts, for more realistic, extended sliding geometries the driven Frenkel-Kontorova model is used. While the predictions of the Tomlinson model were confirmed by atomic force microscopy, yet no experimental system exists to study the FK model in detail. Of particular interest are so called topological solitons, which are predicted in the framework of the Frenkel-Kontorova model and which provide an efficient mechanism for mass transport on small length scales. The systematic creation and manipulation of topological solitons offers a novel perspective to reduce friction on the nanoscale. In this thesis the first experimental version of a two-dimensional driven Frenkel-Kontorova model is realized. For this purpose, interacting colloidal monolayers are driven across a stationary light induced substrate potential. The setup proves to be an ideal model system, because almost all relevant parameters can be varied in situ. The charged particles interact via a repulsive Yukawa potential whose range is controlled by the ion concentration of the solution. The interference of several laser beams allows to generate expanded light fields with tens of thousands of minima which act as a substrate potential for the colloidal monolayer. By changing the number and the arrangement of the beams, both periodic and quasi-periodic light fields can be generated. The length scale of the substrate can be varied by changing the angle of incidence of the beams.
Enthalten in den Sammlungen:08 Fakultät Mathematik und Physik

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