Wie funktioniert Reibung mikroskopisch?

Von Daniel Herzbach, Physikstudent

Wie funktioniert Reibung mikroskopisch? Wie sind Gläser aufgebaut, was ist der Unterschied zu Quarz? Wie schäumt Styropor auf?

Das sind Fragen, mit denen wir uns in der Arbeitsgruppe als Teil der Abteilung KOMET am Institut für Physik beschäftigen. KOMET steht für „Kondensierte
Materie, Experiment und Theorie“. Die Physik der kondensierten Materie beschreibt z. B. Festkörper mit kristallinem Aufbau, aber auch weiche Materie wie Flüssigkeiten.

In unserer Arbeitsgruppe betrachten wir solche Stoffe mit Hilfe von Computersimulationen. Mein Interesse an diesem Thema hat sich im Laufe meines Studiums  herausgebildet. Einerseits interessiert mich die Verbindung von statistischer Physik und Computersimulation, andererseits bietet die kondensierte Materie vielfältige
Phänomene und hat oft einen hohen Anwendungsbezug. Jetzt schreibe ich gerade meine Doktorarbeit über Simulationen von Quarzkristallen, im Speziellen über den Übergang zwischen verschiedenen kristallinenStrukturen.

Andere Arbeiten in unserer Gruppe beschäftigen sich mit Gläsern, Kolloiden und Polymeren. Dabei versteht man in der Physik unter Gläsern ungeordnete Festkörper wie das bekannte Fensterglas. Kolloide sind sehr kleine, feste Partikel in einer Flüssigkeit, wie z. B. Milch, Leim oder Blut. Polymere sind langkettige Moleküle, wie sie z. B. in allen Kunststoffen vorkommen, aber auch als Cellulose im Holz oder als DNA in allen Zellen. Um die Eigenschaften solcher Materialien besser verstehen zu können, verwenden wir die Methode der Computersimulation. Hierbei werden Modelle auf atomarer Ebene benutzt, die festlegen, welche Kräfte zwischen den einzelnen Atomen oder Molekülen
wirken. Der Computer kann dann nach physikalischen Gesetzen wie dem zweiten Newtonschen Gesetz das Verhalten einer großen Zahl solcher Bausteine berechnen und damit makroskopische Eigenschaften wie spezifische Wärme, Druck etc. herleiten.

In meiner Arbeit versuche ich am Beispiel von Quarz herauszufinden, welche Effekte auf atomarer Ebene in das Modell eingebunden werden müssen, damit dann auf der makroskopischen Ebene die richtigen Eigenschaften des Quarzes reproduziert werden können. Die Simulationsprogramme entwickeln wir selbst und implementieren
sie in FORTRAN, C und C++. Damit diese Programme möglichst schnell laufen, haben wir eigene Rechnercluster mit mehreren CPUs. Außerdem haben wir Zugriff auf Parallelrechner in Großrechenzentren, z. B. in Jülich und Stuttgart. Dort kann man Rechnungen eines Programms auf verschiedene CPUs verteilen, um Geschwindigkeitsvorteile zu erreichen.

Jeder Doktorand ist während seiner Promotion eine Zeit lang für die Systemadministration zuständig. So erwirbt man IT-Kenntnisse in verschiedensten Bereichen, von der Administration bis zu den Programmierwerkzeugen, Auswertungs- und Visualisierungstools sowie Raytracern und Videobearbeitung.
Zur Präsentation unserer Ergebnisse und zum Austausch mit Kollegen fahren wir öfters zu Tagungen im In- und Ausland, so war ich u. a. schon in Dresden und Kanada.
Um moderne Methoden kennen zu lernen, besuchen neue Doktoranden in der Gruppe zu Beginn der Promotion häufig eine Sommerschule, z. B. in Manchester oder Lugano. Unsere Arbeitsgruppe ist international besetzt, daher ist häufig Englisch die Umgangssprache. Bei unseren Mittagessen und Kaffeerunden werden immer wieder gemeinsame Unternehmungen wie Kneipenbesuche, Grillfeiern, Wanderungen und Kinobesuche organisiert.
Besonders beliebt sind unsere Kaffeerunden natürlich dann, wenn jemand Geburtstag hat und einen Kuchen mitbringt, was in einer so großen Gruppe fast wöchentlich vorkommt!
Jedes Jahr im Sommer geht es dann für ein paar Tage ins Allgäu, wo wir uns in kleinen Referaten gegenseitig über unsere aktuelle Arbeit berichten.
Aber es bleibt natürlich noch viel Zeit übrig für Wanderungen in den Alpen...

März 2005