Molekulare Schmierung unpolarer und ionischer Schmiermittel im nanoskaligen Spalt

Abstract

In dieser Arbeit wurde mittels dynamischer Scherkraftmikroskopie der Einfluss chemischer und physikalischer Oberflächeneigenschaften auf die Struktur und die Schereigenschaften unpolarer und ionischen Flüssigkeiten im nanoskaligen Spalt untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Schereigenschaften im nanoskaligen Spalt entscheidend von der Ausprägung und der Struktur der molekularen Lagenbildung beeinflusst werden. Diese hängt wiederum von den chemischen und physikalischen Eigenschaften der einschnürenden Oberflächen ab. Die Affinität der Flüssigkeitsmoleküle zu den Oberflächen bestimmt dabei die Orientierung der Moleküle im Spalt sowie die Anzahl der zu beobachteten Lagen. Molekulare Lagenbildung wurde in allen untersuchten Flüssigkeiten und auf allen untersuchten Substraten beobachtet. Dabei handelte es sich sowohl um einfache als auch um technisch relevante Substrate und Flüssigkeiten. Auch konnte gezeigt werden, dass Schersteifigkeit und -Dämpfung im nanoskaligen Spalt nicht von der Normalkraft sondern nur von der Anzahl der molekularen Lagen im Spalt abhängen. Mittels elektrochemischer Methoden war es möglich die molekulare Lagenbildung sowie die Schereigenschaften ionischer Flüssigkeiten zu kontrollieren. Die Wahl geeigneter Materialien, Beschichtungen oder das Anlegen von elektrischen Potenzialen ermöglicht damit die aktive Kontrolle der molekularen Struktur und der Schereigenschaften im nanoskaligen Spalt.

In this work, dynamic shear force microscopy was employed to study the influence of physical and chemical surface properties upon the structure and the shear properties of nanometer confined liquids. It could be shown that molecular layering strongly influences the shear properties in nanometer confinement. The structure and magnitude of the molecular layers in turn depend on the physico-chemical properties of the confining surfaces. The affinity of the confined molecules to the surfaces defines the orientation of the molecules in the gap and the number of observable molecular layers. Molecular layering was observed in all investigated liquids and on all substrates. Both simple as well as technical liquids and substrates were used. It could also be shown that shear stiffness and shear damping in confinement depend only on the number of molecular layers between the confining walls and not on the applied normal load. Using electrochemical methods, it was possible to control molecular layering as well as the shear properties of ionic liquids. The choice of appropriate materials, coatings or the application of electrical potentials allow the active control of molecular structure and shear properties in nanometer confinement.