(Phys.org):cuando las piezas nanométricas de grafito se deslizan unas contra otras, virtualmente no puede haber fricción entre ellos. Durante muchos años, fricción superbaja, o "superlubricidad, "se sabía que existía solo en la nanoescala. Luego, en 2012, Los científicos demostraron por primera vez la superlubricidad más allá de la nanoescala cuando descubrieron el fenómeno en grafito del tamaño de un micrómetro. Sobre la base de esta y otras investigaciones relacionadas, Los científicos en un nuevo estudio han demostrado teóricamente que la fricción superbaja podría extenderse a longitudes de decenas de centímetros.

En el nuevo estudio publicado en Cartas de revisión física , investigadores Ming Ma, et al., han investigado teóricamente la longitud máxima de una cadena de partículas que exhibe superlubricidad. Su modelo muestra que esta longitud crítica depende de los parámetros experimentales y las propiedades del material, especialmente su rigidez. Para materiales muy rígidos, como los nanotubos de carbono, los científicos descubrieron que la superlubricidad puede durar hasta decenas de centímetros, después de lo cual desaparece abruptamente.

"Estos resultados indican una vía para lograr una fricción superbaja en la macroescala, y potencialmente puede ayudar en el diseño racional de materiales superlúbricos para aplicaciones nanomecánicas, "Michael Urbakh, profesor de la Universidad de Tel Aviv y uno de los autores principales del estudio, dicho Phys.org .

Como explican los científicos, La fricción superbaja se basa en una disposición especial de átomos en la superficie de un material. En grafito, por ejemplo, los átomos de la superficie tienen una disposición hexagonal irregular como cartones de huevos / cajas. En ciertas orientaciones, dos superficies de grafito pueden engranar de tal manera que los "bultos" pueden deslizarse uno al lado del otro sin esfuerzo, y la fricción cae casi a cero.

A diferencia de, cuando las mismas piezas de grafito se giran ligeramente entre sí, sus átomos superficiales ya no pueden deslizarse fácilmente, y los materiales exhiben los efectos familiares de la fricción.

Este tipo de cambio en la configuración geométrica puede explicar la abrupta transición entre los regímenes sin fricción y de fricción en los modelos de los investigadores. Un nanotubo más corto, o cadena, exhibe superlubricidad porque sus partículas no coinciden, o inconmensurable, con los átomos del sustrato subyacente. Dado que los átomos evitan entrelazarse entre sí, la cadena se desliza fácilmente sobre la superficie. Pero para una cadena más larga, una inestabilidad mecánica desencadena la combinación de celosías en el borde de ataque de la cadena. Como resultado, las partículas se vuelven en registro, o acorde, con los átomos en la red del sustrato, y la fricción aumenta repentinamente.

Las simulaciones de los investigadores también revelaron que la longitud crítica de la cadena forma un límite definido entre dos fases en función de la distancia entre partículas:la distancia entre las partículas es menor en la cadena más corta que en la cadena más larga. Exactamente a la longitud crítica, se produce un salto brusco en esta distancia, junto con el brusco salto en la fricción.

Al comprender mejor la superlubricidad y sus límites, los investigadores esperan extender el efecto a la mayor escala posible. La superlubricidad podría resultar muy útil para diseñar sistemas a nanoescala con bajo desgaste, y podría ser aún más útil si pudiera ampliarse a escalas mayores.

"El desafío aquí es aumentar el tamaño de los objetos deslizantes sin perder la perfecta geometría de caja de huevos necesaria para la superlubricidad, "dijo la coautora Andrea Vanossi del Centro Nacional de Simulación Democritos CNR-IOM y la Escuela Internacional de Estudios Avanzados (SISSA), ambos en Trieste, Italia. "Normalmente, a medida que crece el tamaño de los objetos, entra en juego defectos e imperfecciones. Solo recientemente, gracias a los impresionantes avances en las técnicas de síntesis, ¿Ha sido posible producir sin defectos? nanoestructuras alargadas atómicamente perfectas como nanotubos de carbono, nanocintas de grafeno, y polímeros conjugados. Una vez que sea posible tener dos a gran escala, superficies geométricamente perfectas se frotan entre sí sin fricción, y aplicar este material como revestimiento a rodamientos de bolas y piezas móviles de máquinas, Habrá grandes ahorros por delante en las áreas de energía, consumo de recursos, y mantenimiento."

Los investigadores están trabajando actualmente para expandir su enfoque para comprender los mecanismos que limitan la fricción superbaja entre materiales 3D.

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