La fricción negativa sorprende a los investigadores

Artículo publicado por Tim Wogan  el 18 de octubre de 2012 en physicsworld.com

Si aprietas ligeramente con tu dedo en una mesa y lo deslizas sobre la superficie, verás que se mueve con bastante facilidad. Si aprietas más fuerte es más difícil deslizarlo ya que un contacto más firme genera más fricción. Pero ahora, investigadores de Estados Unidos y China han demostrado que si realizas el mismo experimento con la punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM) sobre una superficie de grafito, puedes ver el efecto completamente opuesto – se reduce la fricción cuanto más aprietas.

Simulación de punta de diamante sobre grafito © Crédito: Smolyanitsky/NIST, Li/Tsinghua University


Para objetos grandes como dedos y mesas, la fricción entre dos superficies es el resultado de la rugosidad de la superficie, las impurezas, las capas de óxido y otros efectos diversos. A escala nanométrica, sin embargo, las interacciones entre átomos individuales se vuelven relevantes. Como resultado, las leyes de la nanotribología – el estudio de la fricción a nanoescala – pueden ser muy distintas de la fricción que experimentamos en el mundo macroscópico. Por ejemplo, la fricción puede variar, a veces, periódicamente con la red atómica cuando la aguja de un microscopio de fuerza atómica se mueve sobre la superficie. La nanotribología está convirtiéndose en un área cada vez más importante conforme científicos e ingenieros desarrollan minúsculas micromáquinas para una variedad de aplicaciones potenciales desde el ensamblaje de circuitos a la aplicación de medicamentos dirigidos.

El coeficiente de fricción mide cambios como una función de la carga. Puede ser muy variable en la nanoescala, con una fricción que aumenta de forma no lineal con la misma. Sin embargo, nunca se ha observado que fuese negativa – es decir, que la fricción aumente cuando se retira un objeto de la superficie.

Medidas rutinarias

Pero esto es exactamente lo que han encontrado Rachel Cannara, Zhao Deng y sus colegas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Maryland y la Universidad Tsinghua en Pekín. Deng realizó el inesperado descubrimiento cuando medía la fricción entre la punta de diamante de un microscopio y una superficie de grafito como una función de la carga de la punta – una medida rutinaria realizada los nanotribólogos novatos que están aprendiendo los trucos del campo. “Estábamos observando distintos comportamientos que se sabe que aparecen, y repetíamos lo que ya se ha demostrado en la literatura”, explica Cannara.

Cuando Deng aumentó la carga de la aguja, encontró que, como se esperaba, la fricción aumentaba. Cuando redujo la carga de nuevo, sin embargo, apareció la sorpresa. En lugar de volver a su valor original, la fricción seguía aumentando. Esto sería similar a encontrar que cuanto menos aprietas la mesa, más difícil te resulta deslizar tu dedo sobre ella. Esto desafiaba todas las predicciones teóricas y es el primer ejemplo registrado de un material que muestra un coeficiente de fricción negativa. El aumento en la fricción siguió cuando se redujo la carga, hasta que la aguja se retiro por completo de la superficie.

Entonces, ¿qué está pasando? Investigaciones anteriores han demostrado que materiales como el grafito, que tienen una estructura atómica en capas, generan más fricción con la aguja que un AFM cuando solo tienen unos átomos de espesor. Esto se cree que se debe a que los materiales más finos son más flexibles. Cuando un material atómicamente fino toca la punta de un AFM, por tanto, se deforma más que su homólogo más grueso, incrementando de este modo el área de contacto y generando más fricción.

¿Superficie pegajosa?

El grupo de Cannara estaba trabajando con una masa de grafito, pero los investigadores sospechan que cuando se presionaba la aguja contra la superficie del material, la atracción intramolecular de las primeras capas atómicas sobre la punta de diamante era suficiente para que, cuando se reducía la carga, estas capas se elevasen ligeramente de la masa, pegándose a la punta y generando la fricción. Solo cuando se despegaba por completo la punta, el grafito volvía a su estado inicial. Dos simulaciones por ordenador diferentes demostraron que la hipótesis era plausible, aunque aún tienen que resolverse diferencias técnicas entre los resultados, señala Cannara.

Robert Carpick, cuyo laboratorio en la Universidad de Pennsylvania en Filadelfia fue parte del equipo que descubrió originalmente el aumento en la fricción del grosor atómico, está impresionado por los hallazgos del grupo de Cannara. “Creo que el artículo es bastante sólido”, dice. “Demuestra que el resultado es robusto y lo asocian de manera convincente a la adhesividad de la superficie”. El artículo original de Carpick revisó cuatro materiales distintos, todos con la misma estructura en capas y otros radicalmente distintos, encontrando que existía relación entre el grosor y la fricción en todos ellos.

A Carpick le gustaría ver ahora si los análisis de Cannara se aplican a otros materiales, tales como el sulfuro de molibdeno, con la misma estructura en capas. “Apostaría a que funciona igual”, señala. “Nuestro grupo, y otros, han visto estas finas capas exfoliantes bidimensionales compartir un comportamiento bastante común, aunque está claro que están hechos de átomos distintos y, por tanto, las energías químicas de interacción con la punta serán distintas”.

La investigación se publica en la revista Nature Materials.


Autor: Tim wogan
Fecha Original: 18 de octubre de 2012
Enlace Original

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Comments (6)

  1. Información Bitacoras.com…

    Valora en Bitacoras.com: Artículo publicado por Tim Wogan  el 18 de octubre de 2012 en physicsworld.com Si aprietas ligeramente con tu dedo en una mesa y lo deslizas sobre la superficie, verás que se mueve con bastante facilidad. Si aprietas más ……

  2. J.

    A mi también me sorprende :D

  3. Solmyr

    Buenas noches. He leído el articulo y me ha parecido interesante, como casi todos, y me ha surgido una duda. Sin estar muy seguro, me gustaría saber si tiene relación con un ejemplo muy cotidiano que a cualquiera le habrá sucedido. Cuando vas con zapatillas (mi madre las llama asesinas) de andar por casa y pisas suelo húmedo, si pisas con mucha fuerza sueles resbalarte de una manera violenta, más que si lo haces con delicadeza. Supongo que es una soberana gilip*** pero quería saber si alguien sabría contestar a mi duda. Gracias de todos modos.

    • reneco

      En ningún caso es una gilip*** tu pregunta, no soy un experto en la física de la fricción, pero el efecto que mencionas tiene que ver mas con la fricción estática y la fricción dinámica, la primera se necesita una fuerza mayor porque es la resistencia que hay que vencer para poner al cuerpo en movimiento una vez superada esta fuerza empieza a operar la fricción dinámica que es de menor valor y eso te hace resbalar, por eso no hay que pisar con mucha fuerza para no romper la la fricción estática. El artículo me parece que se refiere a una cosa distinta, para un mismo tipo de fricción el coeficiente de rozamiento es negativo osea la oposición al deslizamiento, pero supongo que habrá que interpretar bien las observaciones echas

  4. Tom Wood

    Esto es extremadamente interesante y creo que podría salir un Nobel por ahí a futuro, es una cosa real y palpable. La industria automovilística financiaría cualquier investigación al respecto ahora mismo. Ahora, llamarlo fricción negativa desde ahora y si después no fuera el caso (porque decir aquí, a escalas manométricas, que se toca, no es correcto en el sentido físico, ni literal); nos dejaría un confuso nombre, como tantos históricos que andan por ahí; y que constantemente hay que estar aclarándole al iniciado. Eso ya es clásico en física. Y digo esto; porque aunque muchos que estudian mecánica clásica entienden perfectamente que es la fricción, no saben esto: el coeficiente de rozamiento estático o dinámico entre dos superficies, el que todos conocemos; es un TENSOR empírico bien complejo.

    Es decir; hay muchos efectos a escalas manométricas que serán dilucidados con las nuevas técnicas para descartarnos por unos controvertidos experimentos que dicen verificar el efecto Casimir. Que seria la llave que justificaría un vacío quántico (algo local) universal (de ahí el desespero de los cuantiaos, no es otro); que después sirva de papelera de reciclaje físico de miles de artículos teóricos que esperan una mayor justificación. A buen entendedor con pocas palabras le basta. Con en Big Bang creo que suficiente la cantidad de especulaciones que viven allí y que nunca podrán verificarse, por ser este el experimento irrealizable por antonomasia

    Fíjense que cuando se retira la punta del microscopio:
    “El aumento en la fricción siguió cuando se redujo la carga, hasta que la aguja se retiro por completo de la superficie.”

    “El microscopio electrónico tiene una resolución entre 1mm y 1nm. Es, por lo tanto, idóneo para la determinación de estructuras a nivel molecular y atómico. La resolución no está limitada por la difracción, pero sí por las lentes. El microscopio de campo cercano tiene una resolución todavía mayor: entre 1µm y 1Å.”
    http://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_de_fuerza_at%C3%B3mica

    “De hecho en separaciones de 10 nanómetros…”
    http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Casimir

    Lo de pulir superficies hasta el infinito matemático, fue un salto intelectual que tubo que hacer Galileo (su genialidad) para modelar matemáticamente la física; pero que en ningún momento la naturaleza lo siguió. Ella se quedo ahí tan discreta como nos la muestra este artículo. Lo que pasa es que como la física se estudia desde lo teórico (por ser mas barata de impartir, aunque el costo de las carreras siguen aumentando, negocio redondo, una cabeza cargada de formulitas y esquema didácticos…) a lo real; los físicos sobreponen como real, como natural, lo teórico. El jodido problema que conduce al teoricidio desmedido actual. Nada, que tu haces; lo que te enseñan ha hacer,… hasta que llegas a viejo y ya no te importe nada, y aunque tarde, te revelas contra esas frustraciones juveniles (no es mi caso).
    http://francisthemulenews.wordpress.com/2012/10/22/el-chorro-relativista-de-la-galaxia-m87-surge-a-solo-55-radios-de-schwarzschild-de-su-centro/#comment-23035

  5. KARAMAIKEL

    Hace ya tiempo, en la UPV de Valencia, ví una charla de un ruso (no recuerdo su nombre) que ya decía haber obtenido teóricamente un coeficiente de fricción negativo en dusty plasma (al introducir partículas en plasma a alta temperatura). Mi, por aquel entonces profesor, le preguntó si ese resultado lo había demostrado en laboratorio y el ruso aceptó que no. Mi comentario con mi profesor fué de que cuando en el instituto obteníamos un valor negativo de k nos supendían… creo que le voy a enseñar ésto xD.

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