Forschungszentrum Jülich - Forschen in Jülich 3_2012

Forschen in Jülich 3|2012 Wie stark Superkleber oder Haftmagnete zusammenhalten, lässt sich durch mechanische Belastungstests recht präzise bestimmen. Auf mik- roskopischer Ebene ließ sich jedoch bisher nicht direkt messen, wie stark ein einzelnes Molekül an einer Oberfläche haftet. Jülicher Physi- ker haben nun mit einem Rasterkraftmikroskop die Haftkraft einzelner Moleküle an Oberflächen experimentell erfasst. Gewöhnlich ertastet ein Rasterkraftmikroskop Strukturen mit einer winzigen Messnadel. Für die Messung der Haftkraft spitzten die Forscher diesen Tastkopf auf ein einziges Atom zu. Damit hoben sie ein Molekül auf einer Ober- fläche schrittweise an – bis zur vollständigen Ablösung – und bestimm- ten die dafür erforderliche Kraft. Aus der Kombination dieser experi- mentellen Daten mit Computersimulationen ergab sich die Stärke der Bindungen und der Beitrag, den verschiedene Haftkräfte daran haben, etwa Van-der-Waals-Kräfte oder eine chemi- sche Bindung. Diese Informationen können helfen, neue theoretische Modelle für die Mole- kül-Metall-Wechselwirkung zu überprüfen. Kraftmesser für molekulare Bindungen Das Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Re- search Aircraft, Bild) hat seinen Dienst aufgenommen. An seiner ersten Mission sind auch Jülicher Wissenschaftler beteiligt. Sechs Flü- ge finden seit Ende August im Rah- men von TACTS (Transport and Composition in the Upper Tropo- sphere/Lowermost Stratosphere) zwischen Deutschland und den Kap- verden statt. Dabei messen For- scher das Vorkommen und die Ver- teilung wichtiger Treibhausgase wie Ozon, Kohlenstoffdioxid und Was- serdampf, insbesondere im Grenz- bereich zwischen der untersten Schicht der Erdatmosphäre (Tropo- sphäre) und der darüberliegenden Stratosphäre (englisch UTLS). Die neuen Erkenntnisse sollen Chemie- Klima-Modelle optimieren. Jülicher Atmosphärenforscher haben drei Messinstrumente an Bord des For- schungsflugzeugs, die unter ande- rem Wasserdampf aufspüren und Informationen zur Wolkenzusam- mensetzung liefern. Koordiniert wird TACTS von Wissenschaftlern der Frankfurter Goethe-Universität. HALO ist eine Gemeinschaftsini- tiative deutscher Umwelt- und Kli- maforschungseinrichtungen und als Forschungsplattform weltweit einzigartig: Es kann bis in Höhen von 15,5 Kilometern fliegen und bis zu zehn Stunden in der Luft blei- ben. So erreicht es alle Regionen der Erdatmosphäre – von den Po- len bis zu den Tropen. Am 20. Au- gust stellte Bundesforschungsmi- nisterin Annette Schavan das Flugzeug offiziell in den Dienst. :: Mit HALO in die Atmosphäre Erkenntnis über tropfende Dichtungen Gummiringe und andere Dichtungen schließen theoretisch dichter ab als bis- her gedacht. Das ergaben Simulationen auf Jülicher Superrechnern. Sobald sich die Oberfläche von Dichtung und An- schlussstück zu mehr als 42 Prozent di- rekt berühren, tritt keine Flüssigkeit mehr aus. Bisherige Theorien besagten, dass 50 Prozent Berührungsfläche nötig seien. In den aktuellen Simulationen hatten die Forscher erstmals die Kontaktfläche präziser ermittelt, indem sie die Elastizi- tät des Dichtungsmaterials miteinbezo- gen. Dabei zeigte sich: Mikroskopisch kleine Erhöhungen der Oberfläche, die in das weiche Gummi gepresst werden, be- rühren die Dichtung nicht vollständig, sondern lassen weitere kleine Lücken entstehen. Diese Lücken verringern die Berührungsfläche, beeinträchtigen aber nicht die Dichtigkeit. Mit ihrer Arbeit tragen die Wissen- schaftler des Forschungszentrums Jülich und der Universität des Saarlandes dazu bei, besser zu verstehen, was passiert, wenn eine Dichtung leckt. Außerdem könnten sie dazu beitragen, die Durch- lässigkeit von alternden Dichtungen besser einzuschätzen. :: Die auf ein einziges Atom zulaufende Spitze des Rasterkraftmikroskops dockt von oben an einem Sauerstoffatom (rot) des untersuchten Moleküls an und hebt es von einer Gold-Oberfläche ab. Simulation der Kontaktstellen von Dich- tung und Anschlussstück. Durch die Lü- cken zwischen den beiden Oberflächen kann Flüssigkeit ausströmen. 4

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