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.
Tomado de:
Ciencia Kanija