La fricción es una parte importante de nuestras vidas, para bien o para mal. La fricción ayuda a que los embragues y frenos de nuestros automóviles funcionen, como un ejemplo. Sin embargo, puede ser difícil para los científicos describir con precisión cómo funciona a diferentes escalas. Crédito:Colourbox
Si siquiera se molesta en pensar en la fricción, podría pensar en frotarse las manos para calentarlas.
Pero la fricción es un gran problema en el mundo. Las partes que rozan entre sí se desgastan. Las máquinas pueden usar más energía de la que deberían. Tampoco es trivial:aproximadamente el 23% del consumo energético mundial se debe a la fricción.
Eso tiene a los investigadores en la búsqueda de formas de descubrir cómo funciona realmente la fricción, a nivel de nanoescala, para que puedan diseñar lubricantes y otras formas de reducirlo.
El problema es, La fricción es extremadamente difícil de describir usando un modelo. Uno de los modelos matemáticos más utilizados para la fricción a nanoescala se propuso por primera vez en 1929, y sigue utilizándose porque es bastante general. Pero cuando ese modelo se usa para ver situaciones más detalladas, no funciona tan bien.
Ahora, dos investigadores de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) han realizado un ajuste a este modelo que mejora su capacidad para describir tendencias en cómo funciona la fricción para materiales en capas como el grafeno a nanoescala. Sus resultados han sido publicados en Comunicaciones de la naturaleza .
Una superficie irregular de átomos
Antes de que pueda comprender lo que hicieron los investigadores, primero debe comprender cómo los investigadores visualizan la fricción.
La fricción es algo bueno cuando se trata de detener su automóvil. Pero la fricción no deseada puede llevar a que las piezas se desgasten prematuramente y sea costosa para la sociedad. Crédito:Colourbox
Una superficie puede parecer lisa, pero bajo un poderoso microscopio, la superficie claramente tiene protuberancias. Entonces, cuando los investigadores quieren usar un modelo matemático para explicar la fricción, incluyen esta superficie irregular en sus cálculos.
"Cuando decimos fricción, la gente puede pensar en intentar empujar una caja a través de una superficie, "dijo David Andersson, un doctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica e Industrial de NTNU, quien fue el primer autor del artículo. "Pero si quieres saber de dónde viene la fricción, es realmente del contacto entre los átomos ".
La fricción se describe entonces como la fuerza necesaria para tirar de una punta a través de esta superficie atómica irregular. Así es esencialmente como el modelo de Prandtl-Tomlinson para la fricción, publicado por primera vez en 1929, lo describe. Y una de las características clave que describe el modelo es algo que sucede cuando se tira de esta punta a través de la superficie irregular:puede pegarse y luego resbalar repentinamente.
De hecho, este tipo de comportamiento de adherencia y deslizamiento entre dos superficies es incluso visible a escala macro; es lo que sucede a escala geológica cuando dos placas tectónicas se mueven una al lado de la otra. Las personas en zonas sísmicamente activas experimentan el deslizamiento de las placas como un terremoto.
El rompecabezas de los materiales bidimensionales
El grafeno como aditivo para lubricantes se ha utilizado durante casi dos siglos, pero fue hace solo una década que los investigadores comenzaron a estudiarlo en detalle y otros materiales bidimensionales similares. El grafeno es una capa de carbono que tiene un solo átomo de espesor. Puede ser bastante resbaladizo.
Cuando los investigadores comenzaron a experimentar con capas de grafeno y cómo eso afectó la fricción entre superficies, descubrieron algo extraño, Andersson y su coautora y supervisora Astrid de Wijn.
Así es como los investigadores de NTNU describieron la fricción a nivel nano. Crédito:Andersson, D., de Wijn, COMO. Comprender la fricción de materiales estratificados atómicamente delgados. Nat Commun 11, 420 (2020)
Los investigadores encontraron que la fricción depende de la cantidad de capas en lo que los investigadores encontraron fue una forma sorprendente:fue más alta para las hojas de grafeno de una sola capa y disminuyó al aumentar el número de capas. El modelo de Prandtl-Tomlinson no predijo esto.
"Lo que hicieron los experimentadores fue poner capas de grafeno y otros materiales 2-D una encima de la otra, y encontró que la fricción disminuye con el número de capas. No esperarías eso "de Wijn, un profesor asociado en NTNU, dijo. "Fue un comportamiento peculiar".
Otros trabajos teóricos y experimentales sobre capas de grafeno proporcionaron hallazgos contradictorios.
Si bien eso puede resultar frustrante para los académicos, es más que un simple acertijo académico. Los científicos e ingenieros que quieran descubrir cómo diseñar materiales o lubricantes para reducir el desgaste y la fricción necesitan modelos que les ayuden a sentar las bases de sus esfuerzos.
Agregar complejidad mejoró el modelo
Andersson y de Wijn decidieron examinar varios artículos de investigación experimental diferentes que describían hallazgos contradictorios para ver si podían crear un modelo matemático que ayudara a explicar lo que estaba sucediendo.
Se dieron cuenta de que podían explicar los hallazgos contradictorios agregando una variable adicional al modelo de fricción de Prandtl-Tomlinson, que tiene un siglo de antigüedad. Mientras que el modelo antiguo simplemente miraba la fuerza que se necesitaba para mover un punto a través de una superficie, cuando los investigadores agregaron una variable que permitió que los materiales en capas se deformaran, era mucho mejor para predecir la fricción a nanoescala que el modelo antiguo.
"Al final, hubo una docena de artículos experimentales que logramos explicar de una vez, agregando el componente que permite que los materiales en capas se deformen, ", Dijo Andersson." Encontramos la manera correcta de expandir el modelo para resolver este rompecabezas ".
El grafeno y otros materiales 2-D son extremadamente útiles, pero puede ser difícil para los investigadores describirlo utilizando modelos matemáticos. Crédito:Colourbox
Aplicaciones prácticas del grafeno
Los investigadores esperan que su modelo pueda ayudar a otros investigadores, especialmente cuando se trata de grafeno.
"Hay muchos misterios sobre el grafeno y cómo funciona, ", dijo de Wijn. Pero el modelo revisado permite a los investigadores comprender mejor la fricción en láminas delgadas de grafeno y otros materiales similares, ella dijo.
Por ejemplo, ella dijo, el modelo es un primer paso para ayudar a los ingenieros a comprender las distorsiones extremas y el desgarro de láminas delgadas que tienen solo átomos de espesor cuando estas capas experimentan una carga alta.
"En condiciones reales, tales distorsiones extremas son comunes y conducen a la rotura de enlaces químicos, desgarro vestir, y pérdida de condiciones de baja fricción, "De Wijn y Andersson escribieron en su artículo." Este es un primer paso y plantea la posibilidad de una mejor comprensión del desgaste y más rápido, basado en la comprensión, desarrollo de aplicaciones prácticas del grafeno en tecnologías de baja fricción ".
