Los científicos buscan materiales que desafíen la fricción a nivel atómico

Los científicos buscan materiales que desafíen la fricción a nivel atómico
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Es una noche sin luna. El viento aúlla afuera. Una puerta se abre lentamente, como empujada por una mano invisible.

"Cre-e-e-a-k".

Ese sonido, un cliché de películas de terror, es el resultado de la fricción. Una entrada más sigilosa exige engrasar las bisagras de la puerta.

La fricción está en todas partes, desde un violinista inclinando una cuerda hasta niños deslizándose por un tobogán. En la situación correcta, la fuerza ubicua puede tener grandes efectos: intercalar las páginas de dos guías telefónicas, y la fricción entre las páginas mantendrá los libros tan juntos que se vuelven lo suficientemente fuertes como para suspender un automóvil sobre el suelo.

Pero los científicos no pueden explicar completamente, a escala de átomos y moléculas, por qué un par de materiales se adhiere mientras otro se mueve con facilidad. La extrema resbaladiza del hielo, por ejemplo, ha sido un rompecabezas durante más de 160 años. La multitud de moléculas de agua en una superficie helada crea un brillo que puede hacer que un automóvil gire o que un pingüino se trine. Pero conocer los detalles de cómo surge esta superficie resbaladiza de las moléculas de agua es sorprendentemente complicado.

A pesar de su naturaleza cotidiana, "todavía no entendemos muchas cosas sobre la fricción", dice el ingeniero mecánico Ali Erdemir del Laboratorio Nacional de Argonne en Lemont, Ill. En su nivel más básico, la fricción resulta de las interacciones entre átomos en dos materiales que están unidos entre sí. Pero, dice Erdemir, "hay una desconexión" entre los procesos de fricción a gran escala que podemos ver, sentir u oír y las propiedades atómicas más pequeñas de los materiales que producen esos comportamientos conocidos.

Ahora, al examinar las formas astutas de los átomos, los científicos están ideando nuevas técnicas para reducir la fricción, yendo más allá de las superficies resbaladizas conocidas como el hielo, el teflón y la cáscara de plátano de innumerables gags de comedia. Algunos científicos han encontrado formas de reducir la fricción a niveles cercanos a cero, una propiedad conocida como superlubricidad. Otros están estudiando los efectos cuánticos que reducen la fricción.

La acrobacia atómica podría ayudar a subir y bajar la fricción a voluntad, una habilidad útil ya que hay momentos en que la fricción, una fuerza que actúa contra el movimiento de un objeto deslizante o giratorio, es útil. La fuerza de fricción de los neumáticos sobre el asfalto, por ejemplo, permite que un automóvil gire sin girar. Pero la fricción también debilita la velocidad del automóvil, por lo que se necesita más energía para mantener el vehículo en movimiento.

Gama de fricción

Algunos materiales se deslizan fácilmente unos sobre otros, mientras que otros requieren empuje adicional para moverse. Esa movilidad se describe mediante un número llamado coeficiente de fricción. Cuanto más resbaladizo sea el par, menor será el coeficiente. Los números a continuación son estimados; Los valores exactos dependen de las condiciones.

Materiales deslizantes Coeficiente de fricción
Dedo índice sobre papel de lija 1
Neumáticos sobre pavimento seco 1
Neumáticos sobre pavimento mojado 0.6
Acero sobre acero 0.6
Neumáticos sobre pavimento helado 0.2 0.2
Cáscara de plátano sobre linóleo 0,07
Acero sobre teflón 0,04
Acero sobre hielo 0,01

Fuentes: D.R. Lide /Manual CRC de Química y Física 2005; S. Müller et al/ /J. Dynamic Syst., Meas. y control 2003; M. Scherge et al/ /Lubricantes 2018; AV. Savecu et al/ /J. Appl. Biomech 2008; K. Mabuchi et al/ /Tribología en línea 2012

Obtener la capacidad de disputar la fricción podría tener consecuencias en el mundo real. Se estima que un tercio de la energía que se usa para alimentar los automóviles que consumen combustibles fósiles se pierde por la fricción y se convierte en otras formas de energía como el calor y el sonido. El mismo obstáculo afecta a casi todas las máquinas imaginables, por lo que se estima que una quinta parte del consumo anual de energía del mundo se destina a combatir la fricción. Reducir esas pérdidas significaría "grandes ahorros", dice Erdemir.

Un verdadero lastre

Los humanos han estado jugando con la fricción durante siglos. Los antiguos egipcios parecían saber que verter un poco de agua sobre la arena, una necesidad para construir las pirámides, informaron investigadores en 2014 en Cartas de revisión física.

Leonardo da Vinci se interesó por la fricción y analizó sistemáticamente la fuerza. Más recientemente, los científicos han inventado nuevos materiales con importantes propiedades de fricción, como el teflón, creado en 1938, que permite que los huevos se deslicen fácilmente de una sartén a un plato.

Cuando las superficies se frotan, los átomos en los dos materiales se empujan, enviando pequeñas ondas vibratorias llamadas fonones que se ondulan a través de los materiales. Mientras tanto, los enlaces químicos entre las superficies se forman y se rompen cuando un material se desliza a lo largo del otro. Los átomos pueden arrancarse completamente fuera de lugar, raspando material. Este proceso, conocido como desgaste, explica por qué la banda de rodadura de tus zapatillas se desgasta con el tiempo, dejándote con suelas demasiado resbaladizas para agarrar el pavimento.

La fricción puede provocar ondas de sonido que podemos escuchar, como el rasguño del papel de lija áspero, el chirrido de una cadena de bicicleta pegajosa o sí, los fanáticos del horror, una puerta chirriante. La fricción a veces causa una acumulación de carga eléctrica, produciendo electricidad estática que puede producir una gran descarga, como sabe cualquiera que se haya quitado un suéter y luego tocado un pomo de metal.

Los diferentes tipos de movimiento tienen diferentes cantidades de fricción. Un objeto estacionario requiere más fuerza para vencer la fricción que uno que ya se está moviendo. Y los objetos rodantes tienen menos fricción que los que se deslizan: bloquear las ruedas de un cochecito hace que se quede quieto a menos que empuje con suficiente fuerza para arrastrar las ruedas estacionarias por el piso.

Deslizamiento superpoderoso

La fuerza de fricción se define por, que describe cuánta fuerza se debe ejercer para mover un objeto en relación con su peso para un par de materiales dado (SN: 16/07/11, pág. 14) Un coeficiente de fricción de 0 significa navegación suave, o ninguna fricción. Dependiendo de las condiciones, un patín de acero que se desliza sobre el hielo puede tener un coeficiente de 0.01, mientras que el acero sobre el acero es más de 10 veces mayor, alrededor de 0.6. : En un piso de linóleo, las pieles resbaladizas tienen un coeficiente de fricción de aproximadamente 0.07 (SN en línea: 19/9/14) Los neumáticos en una carretera seca pueden tener un coeficiente tan grande como 1, un valor que cae a (SN: 13/11/04, pág. 308)

Los científicos ahora están aprovechando la superlubricidad, lo que hace que los materiales sean más resbaladizos que el hielo y las cáscaras de plátano. Los pares de materiales con un coeficiente por debajo de 0.01 se consideran superlúbicos. Un método para lograr la superlubricidad se basa en seleccionar cuidadosamente la estructura y orientación de los materiales de fricción. El objetivo es reducir drásticamente la fricción de un tipo conocido como movimiento antideslizante, en el que las superficies deslizantes cambian entre estados móviles y atascados. Este tipo de fricción es común: es lo que explica ese sonido de puerta crujiente misterioso, dice el físico Oded Hod de la Universidad de Tel Aviv.

Si pudiera reducirse al tamaño de un átomo, vería que la superficie de una lámina de material cristalino liso es una serie de colinas y valles en un patrón regular, la estructura de los átomos dispuestos en una cuadrícula. Cuando las superficies se deslizan entre sí, los átomos en una capa no quieren que sus electrones se superpongan con los de la otra capa. "Los electrones dicen," Hey, mantente alejado de mi territorio ", dice el físico teórico de materia condensada Erio Tosatti de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados, o SISSA, en Trieste, Italia. Eso significa que los materiales pueden quedar bloqueados temporalmente en su lugar; cuando los átomos están dispuestos como prefieren, no quieren moverse de sus lugares cómodos. Esta disputa conduce a un deslizamiento y una detención intermitentes en lugar de un movimiento suave.

Las colinas y los valles creados por los átomos recuerdan a un cartón de huevos, con una serie regular de salsas donde se encuentra cada huevo. Imagínese tratando de deslizar dos cartones de huevos vacíos uno encima del otro, uno encima del otro. Una vez que los cartones lleguen al lugar donde sus copas y crestas se alinean perfectamente, se atascarán. Con un empujón, se deslizarán hasta que las copas se vuelvan a enclavar, y así sucesivamente, pegándose y resbalando repetidamente. En las matrices de átomos, ese proceso de deslizamiento provoca que la energía se convierta, no en movimiento, sino en otras formas inútiles, como el sonido o el calor.

Solución antideslizante

Deslice dos cartones de huevos idénticos (a la izquierda) uno sobre el otro y las crestas y los valles se pegan, lo que los hace más difíciles de empujar. Pero para los cartones de huevos de diferentes orientaciones (medio) o tamaños (derecha), los picos no se enclavarán y se deslizarán más fácilmente. Cuando este principio se aplica a la escala de los átomos, este efecto puede reducir drásticamente la fricción.

Ahora imagine rotar los cartones para que las copas y las crestas ya no se alineen. Un cartón se deslizará a lo largo de la parte superior del otro, haciendo que el movimiento sea más suave. Esta idea también funciona para los átomos, y se llama superlubricidad estructural. Dos materiales que se pegan poderosamente cuando están alineados pueden deslizarse con facilidad casi sin fricción cuando se frotan en ángulo. Del mismo modo, considere dos cartones que están hechos para adaptarse a diferentes tipos de huevos, como huevos de gallina y huevos de pato. Las tazas en los dos cartones estarán espaciadas a diferentes distancias, ya que los huevos de pato más grandes necesitan más espacio. Eso significa que las tazas no se alinearán exactamente, y no se unirán, sin importar cómo estén orientadas. Lo mismo ocurre con dos materiales con átomos separados de forma diferente.

Predicho en las décadas de 1980 y 1990, la superlubricidad estructural se detectó por primera vez de manera concluyente y se informó en 2004, cuando los investigadores mostraron que la facilidad con la que un copo de grafito se desliza sobre otra superficie de grafito dependía en gran medida de su orientación: en ciertos ángulos de rotación, el equipo señaló en Cartas de revisión física.

Más recientemente, la superlubricidad estructural apareció en el grafeno, una lámina de grafito de un solo átomo de espesor. Una cinta de, los científicos informaron en 2016 en Ciencia. Las cintas pueden tener cientos de nanómetros de largo, formadas por miles de átomos, pero "se mueven con fuerzas que a veces son más pequeñas que (las necesarias) para mover un solo átomo", dice el coautor del estudio Ernst Meyer, físico de la Universidad de Basilea en Suiza. "Esto es realmente sorprendente, si sintonizas todo de la manera correcta".

Pero la superlubricidad estructural tiende a requerir condiciones impecables; suciedad o manchas en los materiales lo ensuciarán. Por lo tanto, el efecto generalmente se demuestra solo en el vacío, con condiciones cuidadosamente controladas y superficies especialmente preparadas. Por esas razones, la superlubricidad estructural se limitó inicialmente a los objetos que se miden mejor en nanómetros, o billonésimas de metro, una escala en la que se pueden evitar tales imperfecciones. Pero recientemente, los científicos han mejorado sus superpoderes de superlubricidad.

Investigadores de China e Israel encontraron superlubricidad con superficies un millón de veces más grandes en el área: escalas micrométricas. Cuando el grafito se deslizó sobre un compuesto de boro y nitrógeno, inferior a 0,00014, el grupo informó en julio de 2018 en Materiales de la naturaleza. Los átomos dentro del compuesto, conocidos como nitruro de boro hexagonal, están dispuestos en hexágonos, la misma forma que los átomos de carbono en el grafito. Pero los hexágonos en los dos materiales son de diferentes tamaños, como cartones de huevos hechos para huevos de pato en comparación con huevos de gallina. Y la fricción se mantuvo baja incluso cuando las pruebas no se formaron en condiciones de vacío, dice Hod de Tel Aviv, coautor del estudio con Ming Ma, Quanshui Zheng y otros de la Universidad de Tsinghua.

El siguiente objetivo, dice Hod, es llevar la superlubricidad estructural a escalas milimétricas, a objetos que podamos ver y sostener, incluso si son pequeños. Las partes móviles pequeñas de ese tamaño son comunes, y tales reducciones en la fricción podrían ser útiles en una variedad de dispositivos, desde pequeños componentes de computadora hasta motores en miniatura. "Puede ser en la industria médica, almacenamiento de datos, relojes, satélites, lo que sea", dice. Escalar hasta el próximo tamaño será un desafío, pero Hod está trabajando en ideas para llegar allí.

Poniendo todo junto

Lanzar nanopartículas a la mezcla es una forma de saltar a escalas más grandes. La científica de materiales Argonne Anirudha Sumant y sus colegas han creado lubricantes basados ​​en piezas de grafeno que se enrollan alrededor de minúsculas bolas de diamante, formando rollos.

Los investigadores combinaron el grafeno con un material llamado carbono similar a un diamante, que está hecho de átomos de carbono dispuestos en un patrón irregular. Los dos materiales tienen un desajuste estructural que sugiere que podrían exhibir una superlubricidad estructural. Pero simplemente deslizando el carbono en forma de diamante contra una superficie de grafeno resulta en un coeficiente de fricción de 0.04, que es bajo, pero no del todo superlubrico.

La adición de nanoscrolls de grafeno marca la diferencia, formando un ejército de pequeñas superficies resbaladizas que trabajan colectivamente para mantener las cosas en movimiento sin problemas. Con esa combinación, a 0.004, Sumant, Erdemir y sus colegas informaron en 2015 en Ciencia. Sumant dice que está trabajando en lubricantes similares para la industria que podrían ayudar a dispositivos como turbinas eólicas a moverse libremente y de manera más eficiente.

Fricción discutiendo

Algunos científicos están utilizando sus estudios a escala atómica para controlar la fricción, ajustándola hacia arriba y hacia abajo según sea necesario. Este poder sobre la fricción, haciendo que una superficie sea resbaladiza o rugosa como se desee, podría ser más útil que un truco de laboratorio. Imagine neumáticos de automóvil que se agarran con fuerza cuando frena o acelera, pero suaves cuando está navegando.

La física Jacqueline Krim y sus colegas estudiaron la fricción entre una capa delgada de moléculas de oxígeno y una superficie de níquel a la que estaban adheridas las moléculas de oxígeno. Al hacer vibrar la superficie de níquel y medir la facilidad con que el oxígeno se deslizó sobre ella, los investigadores midieron la fricción. El experimento es un poco como sacar un mantel (el níquel) de debajo de algunos platos (el oxígeno). Si la fricción es demasiado alta, rompes algunas placas.

Luego, utilizando campos magnéticos, los investigadores reorientaron las moléculas de oxígeno en forma de huevo para que se pararan sobre sus extremos. Eso, el equipo informó en diciembre de 2018 en Materia Condensada.

Los científicos también esperan explorar efectos aún más exóticos para reforzar la resbaladiza. Los cálculos teóricos dicen que Tosatti y sus colegas informaron en abril de 2018 en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias. Un solo átomo cargado eléctricamente, un ion, arrastrado a través de la superficie de un material puede atravesar una barrera infranqueable, un proceso conocido como túnel cuántico.

Túnel cuántico

Un átomo que se desliza sobre una superficie irregular pierde energía debido a la fricción a medida que atraviesa las crestas (izquierda). Pero gracias a la mecánica cuántica, un átomo podría ser capaz de atravesar barreras y reducir la fricción (derecha).

Fuente: T. Zanca et al / PNAS 2018

Imagine una sola partícula atravesando un cartón de huevos. Normalmente, la partícula tendría que subir y bajar cada copa, lo que requiere suficiente energía para navegar ese paisaje. Pero la mecánica cuántica indica que una partícula ocasionalmente puede saltar hacia arriba y hacia abajo y pasar directamente de una taza a otra, como si excavara la caja de cartón. Esa habilidad reduce la fricción.

Aunque esta lubricidad cuántica, como se la llama, aún no se ha aprovechado en el laboratorio, Tosatti y sus colegas predicen que debería ser posible demostrar a través de una técnica establecida. Los científicos han usado láseres para crear una superficie simulada que imita las inmersiones y golpes de un material. Arrastrar iones fríos a través del material simulado puede recrear la fricción y posiblemente sus efectos cuánticos.

En la búsqueda de ajustar los materiales para ajustar la fricción, los científicos han estado haciendo progresos constantes, pero no es tan fácil establecer conexiones directas entre la física de lo grande y lo pequeño. En su laboratorio de la Universidad Estatal de Carolina del Norte en Raleigh, Krim dice que puede ajustar las propiedades atómicas de los materiales y estudiar lo que sucede. Pero en general, los dos mundos están separados por un bosque difícil de penetrar. "Hay algunos senderos que se han conectado", dice ella. Pero "todavía queda algo por hacer".

Ese pionero podría valer la pena. Erdemir dice que aprovechar el poder de los materiales que están casi libres de fricción en función de los átomos dentro sería un cambio de juego. Con esa capacidad, dice, "podemos resolver los problemas de fricción del mundo".

Baile de hielo

Para resolver el problema persistente de por qué el hielo es resbaladizo, un grupo de investigadores conectó la danza de las moléculas de agua con esa samba deslizante de un peatón que se encuentra con una acera helada.

El folklore científico ha sostenido que la presión de una suela de zapato derrite el hielo y produce una capa de agua lubricante, reduciendo la fricción y enviando a la persona que usa el zapato a dar un paseo. No es así, dice Mischa Bonn, químico físico del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Mainz, Alemania: a temperaturas muy por debajo del punto de fusión del hielo, "incluso un elefante … apilado en un tacón alto aún no ejercería suficiente presión para derretir el hielo". sustancialmente ”. La idea de que el calor de la fricción de un objeto deslizante derrite el hielo tampoco se sostiene. El calor producido es demasiado débil, según han demostrado los experimentos. "Se necesita mucho calor para derretir el hielo", dice Bonn.

Otra teoría resulta estar más cerca de la verdad. Una película de moléculas de agua móviles cubre la superficie del hielo, reduciendo la fricción, según determinaron Bonn y sus colegas en mayo de 2018. Revista de cartas de química física.

Quizás, sugieren los investigadores, esas moléculas sueltas incluso ruedan. Pisar un parche resbaladizo es como intentar bailar sobre canicas; no hay punto de apoyo.

La explicación también explica otra característica del agua congelada: cuando el hielo se enfría demasiado, pierde su deslizamiento. Eso sucede, dicen Bonn y sus colegas, porque las moléculas sueltas quedan atrapadas en la superficie. Eso significa que hay una temperatura óptima para el patinaje sobre hielo que no es demasiado fría ni demasiado cálida. Según los cálculos del equipo, esta temperatura de Ricitos de Oro debe ser de –7 ° Celsius (19 ° Fahrenheit). Es aproximadamente la misma temperatura que las pistas de patinaje sobre hielo intentan mantener para las velocidades de patinaje más rápidas.

Esta historia aparece en la edición del 3 de agosto de 2019 de Noticias de ciencia con el titular, "Dando fricción a los resbalones: los científicos analizan los procesos atómicos para fabricar materiales resbaladizos".

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