La fricción negativa sorprende a los investigadores

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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
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