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Oxidierte Mechanoradikale als Ursprung der triboelektrischen Aufladung von Teflon identifiziert
Erfolgreiche Zusammenarbeit mit der Concordia University
Mehr Stabilität für reaktives HiPIMS durch RF-Superposition
Spanende Endbearbeitung mittels Simulation unterstützt
Ursprung der C(1s)-Peak-Verschiebungen in XPS-Spektren amorpher Kohlenstoffmaterialien
13.02.2026
Dr. Leonhard Mayrhofer
Triboelektrische Aufladung gehört zu den ältesten Phänomenen der Physik – ihr Mechanismus ist jedoch noch immer umstritten und in vielen Fällen nicht verstanden. Dabei ist nicht einmal klar, ob Elektronen, Ionen oder geladene Materialfragmente für die Aufladung verantwortlich sind. Ein Team am MikroTribologie Centrum µTC hat nun mit DFT- und präziseren GW‑Rechnungen aufgeklärt, wie PTFE im Kontakt mit Gold durch Elektronentransfer negativ geladen wird [1]. Der Schlüssel hierbei sind Mechanoradikale im tribologischen Kontakt, die eine sehr Elektronenaffinität aufweisen, sobald sie mit Sauerstoff- und/oder Wassermolekülen aus der Umgebung reagieren.
Zunächst wurden atomistische Gold/PTFE‑Grenzflächen mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT), dem Arbeitspferd für die Simulation der elektronischen Struktur in der Materialwissenschaft untersucht. Die Paarung Gold/PTFE wurde gewählt, da Gold aufgrund der geringen Neigung zur Oxidation einfach zu modellieren ist und PTFE dafür bekannt ist, sich im Kontakt mit praktisch allen anderen Materialien negativ aufzuladen. Allerdings zeigte sich schnell, dass konventionelle DFT-Rechnungen bei Ladungstransferprozessen an ihre Grenzen stoßen, indem sie z.B. zwischen Au und Mechanoradikalen in PTFE einen nur teilweisen Elektronentransfer vorhersagen, obwohl physikalisch nur ganzzahlige Übergänge sinnvoll sind.
Daher wurde im Rahmen der Studie - vermutlich zum ersten Mal im Kontext der Tribologie - die wesentlich genauere, aber äußerst rechenintensive GW-Methode eingesetzt. Die GW-Methode berücksichtigt systematisch Quanteneffekte wechselwirkender Elektronen, die über die Standard-DFT hinausgehen. Mit ihrer Hilfe konnten nun diejenigen Radikale im Teflon identifiziert werden, welche hinreichend elektronenaffin sind, dass sie zu einer negativen Aufladung führen. Dies sind insbesondere O-zentrierte Alkoxy‑ und Carboxylat‑Endgruppen, während Mechanoradikale, die direkt durch mechanischen C-C-Bindungsbruch der PTFE-Ketten entstehen keine große Neigung zur Elektronenaufnahme besitzen.
Wie sich herausstellt, ist die Umgebungschemie entscheidend zur Bildung der elektronaffinen Radikale: Berechnete Reaktionspfade zeigen, dass die ursprünglich durch C-C-Bindungsbruch erzeugten Mechanoradikale in Anwesenheit von O2 bzw. H2O schnell über Zwischenstufen zu Alkoxy‑ bzw. Carboxylat‑Gruppen oxidieren – plausibel unter Umgebungsbedingungen.
Ein einfaches Modell erklärt zudem die Ladungserhaltung beim Auseinanderziehen: Durch die Kontaktseparation baut sich ein elektrisches Feld auf, das die statische Aufladung energetisch ungünstig werden lässt. Allerdings passiert dies erst bei einer Kontaktweite von einigen 10 nm, bei welcher quantenmechanisches Rücktunneln ausgeschlossen ist: die Aufladung bleibt bestehen.
Fazit: Die starke negative Triboelektrizität von PTFE beruht primär auf den elektronischen Eigenschaften oxidierter Mechanoradikale. Das Verständnis eröffnet Hebel zur gezielten Ladungssteuerung durch Defektchemie und Atmosphärenkontrolle – relevant für triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs), Antistatik und Prozesssicherheit. Eine erste Arbeit, welche die Triboelektrizität gezielt durch geeignete Funktionalisierung von Goldoberflächen mit organischen redox-aktiven Molekülen einstellt, wurde kürzlich zusammen mit der Universität Freiburg veröffentlicht [2].
[1] Leonhard Mayrhofer, Mejdeddine Mokhtar, Michael Walter, Michael Moseler, Oxidized Mechanoradicals Drive Triboelectricity in Polytetrafluoroethylene: A First Principle Understanding, J. Phys. Chem. C 129, 43, 19592–19607 (2025). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5c05695
[2] Nisha Ranjan et al., Contact Electrification via Redox‐Active Molecules, Angew. Chem. Int. Ed. 65, e10031 (2026). https://doi.org/10.1002/anie.202510031
Prof. Dr. Martin Dienwiebel
In einer Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Stoyanov an der Concordia University, Kanada wurden thermisch gespritzte kobaltoxidbasierte Beschichtungen entwickelt und untersucht, die unter Reib- und Verschleißbelastung gezielt sogenannte Glaze-Layers bilden sollen, wie sie sonst erst im Langzeitbetrieb von Hochtemperaturbauteilen entstehen. Ziel ist es, diese schützenden, glasartig verfestigten Reaktionsschichten schon vorab durch geeignete Beschichtungs- und Prüfparameter einzustellen, um Komponenten z.B. in Gasturbinen besser für extreme Umgebungen zu rüsten.
Experimentell wurden dazu Kobaltoxid- bzw. Co/Cr-oxid-Suspensionen mittels „Suspension Plasma Spraying (SPS)“ auf metallische Substrate wie Inconel 718 aufgebracht und zu dicht haftenden Oxidschichten verarbeitet. Die erzeugten Schichten wurden anschließend mikrostrukturell charakterisiert (Dichte, Porosität, Phasenbestand, Rissverteilung), unter anderem mit Querschliffen, Rasterelektronenmikroskopie und Phasenanalytik wie Raman-Spektroskopie bzw. Röntgendiffraktion.
Zur tribologischen Charakterisierung wurden Hochtemperatur-Reibungsmessungen gegen Inconel-718-Gegenkörper bei verschiedenen Temperaturen (typisch Raumtemperatur bis etwa 450 °C und höher) durchgeführt, wobei Reibkoeffizient, Verschleißraten von Schicht und Gegenkörper sowie der Aufbau von Glaze-Layers in situ bzw. ex situ ausgewertet wurden. Es zeigte sich, dass insbesondere CoO-basierte Beschichtungen bei erhöhten Temperaturen in eine Co3O4-reiche Glaze-Schicht umwandeln, was mit deutlich reduziertem Reibwert, geringem Gesamtverschleiß und überwiegendem Materialabtrag am Gegenkörper einhergeht.
Die Autoren leiteten daraus Gestaltungsrichtlinien für Material, Prozessführung und Temperaturfenster ab, mit denen sich solche schützenden Glaze-Layers reproduzierbar einstellen lassen, anstatt sie dem zufälligen Einlaufprozess im Feld zu überlassen.
Quelle:
Mayer, A. R.; Zouina, O.; Dienwiebel, M.; Moreau, C.; Stoyanov, P. P., Recreating cobalt – based glaze layers through thermal spraying for extreme environments, Wear 570 (2025) Art. 205972, 13 Seiten, Link
Alexander Fromm
High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) bietet erhebliche Vorteile gegenüber etablierten Sputtertechniken wie DC-, MF- oder RF-Sputtern. Dünne Schichten, die mit HiPIMS abgeschieden werden, zeigen verbesserte Eigenschaften, lassen sich jedoch meist nur mit geringeren Raten abscheiden. Zudem neigen reaktive HiPIMS-Prozesse zum Arcing (i.e. unkontrollierte, elektrische Überschläge), was sich negativ auf die Schichtqualität auswirkt. Die Überlagerung unterschiedlicher Plasmaanregungen kann helfen, diese Limitationen zu überwinden.
In unserer Studie haben wir die Superposition von HiPIMS und RF auf einem einzigen Magnetron untersucht und dabei die Spannungs-Strom-Kennlinien, erreichbare Spitzenströme sowie den Einfluss des Drucks auf die Prozessstabilität und die Kathodenspannung für die reaktive und nicht-reaktive Abscheidung von Aluminium in einem Ar/O₂-Plasma analysiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Superposition von RF auf HiPIMS einen stabilen Betrieb bei niedrigeren Drücken ermöglicht und das Arcing reduziert. Besonders bemerkenswert ist, dass der Effekt des überlagerten RF auf den Spitzenstrom je nach Prozessmodus unterschiedlich ausfällt: Im reaktiven Sputtern wird der HiPIMS-Spitzenstrom erhöht, während im nicht-reaktiven Modus der Spitzenstrom verringert wird. Dies wird auf die unterschiedlichen sekundären Elektronenemissionen im reaktiven und nicht-reaktiven Modus zurückgeführt.
Die Ergebnisse wurden im Dezember 2025 auf der »Reactive Sputter Deposition Conference 2025« (RSD 2025) in Manchester, UK, einem interessierten Fachpublikum vorgestellt und diskutiert. Aktuelle Arbeiten am MikroTribologie Centrum µTC zielen darauf, die Erkenntnisse in die Entwicklung neuer, leistungsfähiger Barriereschichten einfließen zu lassen.
Sie möchten sich tiefer mit dem Thema befassen? Weitere Informationen finden Sie im folgenden Artikel:
Müller, J.; Swoboda, J.; Burmeister, F.; Fromm, A.; Wirth, M.; Killinger, A.; Ulrich, S., Continuous superposition of high power pulses and radio frequency power on a single magnetron target, Surface and Coatings Technology 521 (2026) Art. 133104 Link
Oder Sie wenden Sich an unsere Kollegen Jonas Müller oder Frank Burmeister.
Dr. Edder García
Erreichen Kühlschmierstoffe die kritischen Kontaktzonen beim schnellen und unterbrochenen Wälzschälen effektiv? Die Studie »Experimental and multiscale simulation analysis of the lubricant penetration in gear skiving« untersuchte diese Frage durch eine Kombination aus experimentellen Methoden und Multiskalensimulationen und liefert wertvolle Einblicke in das Schmierstoffverhalten [1].
Um ein tieferes Verständnis des Transports von Schmiermittelmolekülen in den direkten Kontaktbereichen zwischen Werkzeug und Span zu gewinnen, wurden die Schnittkräfte für AISI 4140-Stahl experimentell gemessen, Finite-Elemente-Simulationen der Spanbildung durchgeführt, SPH-Simulationen zur Modellierung der Kühlmittelströmung angewandt, Reynolds-Berechnungen mit Kavitation zur Modellierung des Schmiermittels in der Nähe des Werkzeug-Werkstück-Kontakts angewandt und molekulardynamische Simulationen eingesetzt.
Die Forschungsergebnisse zeigen mehrere Schlüsselfaktoren zur Verbesserung der Schmierung auf: Höhere Kühlmitteldrücke und größere Öffnungswinkel zwischen Span und Werkzeug können die Kavitation verringern und das Eindringen des Schmiermittels verbessern. Darüber hinaus können Oberflächenmerkmale des Werkzeugs, wie z. B. Nanokavitäten, die Rückhaltung des Schmiermittels verbessern, indem sie die Flüssigkeit einschließen, was die Wahrscheinlichkeit eines Trockenkontakts weiter verringert.
Zusammenfassend unterstreicht diese Studie, wie wichtig es ist, die Schmierungsdynamik beim Wälzschälen zu verstehen. Durch die Optimierung der Prozessparameter und des Werkzeugdesigns zur Verbesserung der Schmiermittelzufuhr, -penetration und -rückhaltung können Hersteller eine bessere Leistung und Zuverlässigkeit bei der Herstellung von Hochgeschwindigkeitsgetrieben erzielen.
[1] García, E. J.; Sauer, F.; Haber, M.; Mukherjee, A.; Falk, K.; Schwitzke, C.; Bauer, H.-J.; Moseler, M.; Schulze, V., Experimental and multiscale simulation analysis of the lubricant penetration in gear skiving, Production Engineering 19 (2025) 1373–1394 Link
Dr. Michael Walter
Amorpher Kohlenstoff wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Beschichtungen für Automotoren, Hochleistungswerkzeuge und Komponenten in der Luft- und Raumfahrt. Da die mechanischen, optischen und elektronischen Eigenschaften von amorphem Kohlenstoff (a-C) stark vom Hybridisierungszustand des Kohlenstoffs, vom Wasserstoffgehalt und von der lokalen Ordnung abhängen, ist eine präzise Charakterisierung dieser Kohlenstoffbindungskonfiguration in diesen Materialien von größter Bedeutung.
Mehrere oberflächenanalytische Methoden wurden zur Charakterisierung der oberflächennahen Bereiche von a-C-Materialien verwendet, darunter Raman-Spektroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Nahkanten-Röntgenabsorptions-Feinstrukturspektroskopie (NEXAFS) und Reflexions-Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (REELS). Unter diesen ist die XPS eine der zugänglichsten und am weitesten verbreiteten Methoden zur Charakterisierung kohlenstoffbasierter Materialien.
Die Analyse der Kohlenstoffbindungskonfiguration mittels XPS erfolgt üblicherweise durch Aufnahme hochauflösender C(1s)-Spektren. Diese Spektren werden häufig mit zwei synthetischen Kurven angepasst – eine wird dreifach koordiniertem sp²-Kohlenstoff (graphit-ähnlich) und die andere vierfach koordiniertem sp³-Kohlenstoff (diamant-ähnlich) zugeordnet. Es handelt sich hierbei um zwei Formen von Kohlenstoff mit stark unterschiedlichen Eigenschaften. Trotz der weiten Verbreitung dieses analytischen Verfahrens zur quantitativen Bewertung des Kohlenstoff-Hybridisierungszustands auf Basis der C(1s)-XPS-Signale wurde die Gültigkeit dieser Methodik in Frage gestellt und bleibt weiterhin Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen.
Wir haben bereits gezeigt, dass XPS-Peakpositionen durch Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen auf der absoluten Energieskala vorhergesagt werden können [1,2]. In der kürzlich veröffentlichten Zusammenarbeit mit R. Carpick von der University of Pennsylvania, USA, und F. Mangolini von der University of Texas at Austin, USA, vergleichen wir simulierte XPS-Spektren mit dem Experiment auf der absoluten Energieskala [3]. Wir zeigen, dass die weit verbreitete Interpretation der Identifikation von sp2- und sp3-Kohlenstoffen für reine Kohlenstoffmaterialien gültig ist. Jedoch muss diese in Frage gestellt werden, sobald das Material Wasserstoff enthält. Unsere Arbeit unterstützt daher Oberflächenwissenschaftler und -wissenschaftlerinnen bei der präzisen Charakterisierung kohlenstoffbasierter Materialien mittels XPS.
[1] Walter, M.; Moseler, M.; Pastewka, L., Offset-corrected Δ-Kohn-Sham scheme for semiempirical prediction of absolute x-ray photoelectron energies in molecules and solids, Physical Review B 94/4 (2016) Art. 041112, 5 Seiten Link
[2] Walter, M.; Vogel, M.; Zamudio-Bayer, V.; Lindbad, R.; Teichenbach, T.; Hirsch, K.; Langenberg, A.; Rittmann, J.; Kulesza, A.; Mitric, R.; Moseler, M.; Möller, T.; von Issendorff, B.; Lau, J. T., Experimental and theoretical 2p core-level spectra of size-selected gas-phase aluminum and silicon cluster cations: Chemical shifts, geometric structure, and coordination-dependent screening, Physical Chemistry Chemical Physics PCCP 21/12 (2019) 6651-6661 Link
[3] Walter, M.; Mangolini, F.; McClimon, J. B.; Carpick, R. W.; Moseler, M., Origin of C(1s) binding energy shifts in amorphous carbon materials, Phys. Rev. Materials 9, 035601 (2025) Link
MikroTribologie Centrum μTC