Die Schwingquarz-Mikrowaage wird normalerweise zum Studium von dünnen Schichten und Adsorbaten aus der flüssigen Phase eingesetzt.  Wenn statt dünner Schichten Punkt-Kontakte vorliegen (Abb. 1), verhalten sich Schwingquarze anders als unter Schicht-Beladung.  Erstens ist die Frequenz-Verschiebung positiv.  Zweitens kommt es an der Kontakt-Stelle zu einer Spannungs­konzentration und in der Folge zu nicht-linearen Kraft-Verschiebungs-Relationen.  Am einfachsten kann man diese Nichtlinearitäten über eine Amplituden-Abhängigkeit der Frequenz-Verschiebung nachweisen und studieren.¹  Einige der Ergebnisse kann man als einen graduellen Übergang von Haft-Reibung zu Gleit-Reibung verstehen.

In einem DFG-Projekt werden diese Ansätze vertieft.  Arbeits-Schwerpunkte sind:

• Untersuchung von Third-Harmonic-Generation² zur Quantifizierung von Nichtlinearitäten auf der Nanosekunden-Skala.
• Studium von Nichtlinearitäten auf der Millisekunden-Skala mittels Intermodulations-Spektroskopie³.
• Identifikation der verschiedenen Beiträge zu den Nichtlinearitäten
  (Mikroschlupf, Erwärmung, Verschleiß, Rollreibung/Gleitreibung, …).
• Eine Untersuchung, ob „shake-down“⁴ (also eine Abnahme der Energie-Dissipation im Laufe der Zeit) auch bei oszillatorischer reibender Belastung beobachtet wird.
• Etablierung dieser Methodik, um auch weiche Schichten (wie z.B. Bio-Adsorbate) nichtlinear zu charakterisieren (Abb. 1).

Personen:
Frederick Meyer,
Dr. Arne Langhoff,
Prof. Diethelm Johannsmann

Link zur DFG-Projektwebseite.

• S. Hanke, J. Petri, and D. Johannsmann
  Partial Slip in Mesoscale Contacts: Dependence on Contact Size
  Physical Review E 88, 032408 (2013).
• S. K. Ghosh, V. P. Ostanin, C. L. Johnson, C. R. Lowe, and A. A. Seshia
  Probing biomolecular interaction forces using an anharmonic acoustic technique for selective detection of bacterial spores
  Biosensors & Bioelectronics 29, 145 (2011).
• C. Hutter, D. Platz, E. A. Tholen, T. H. Hansson, and D. B. Haviland
  Reconstructing Nonlinearities with Intermodulation Spectroscopy
  Physical Review Letters 104, 5 (2010).
• A. Klarbring, M. Ciavarella, and J. R. Barber
  Shakedown in elastic contact problems with Coulomb friction
  International Journal of Solids and Structures 44, 8355 (2007).