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Getriebene kolloidale Monolagen auf lichtinduzierten Substratpotentialen
(2013) Bohlein, Thomas; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)
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.