En física, Es útil saber con la mayor precisión posible cómo surgen los fenómenos de fricción, y no solo a escala macroscópica, como en la ingeniería mecánica, pero también a escala microscópica, en áreas como biología y nanotecnología. Es bastante difícil estudiar la fricción a escala atómica donde prevalecen los efectos no lineales.

Los científicos del Instituto QUEST en el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) han presentado ahora un sistema modelo que permite la investigación de los efectos de la fricción a escala atómica y la dinámica de la fricción que son similares a las que tienen lugar en las proteínas. Hebras de ADN y otros nanocontactos deformables. Este sistema modelo consta de iones enfriados por láser que se organizan en cristales de Coulomb. Los investigadores han llevado a cabo experimentos y simulaciones numéricas y han obtenido nuevos hallazgos fundamentales sobre los procesos de fricción en estos sistemas atómicos. Ahora han presentado sus resultados en la revista científica. Comunicaciones de la naturaleza .

La mayoría de los objetos macroscópicos tienen una textura rugosa desde un punto de vista atómico. Incluso si se sienten suaves al tacto, exhiben asperezas. Estrictamente hablando, dos objetos nunca se encuentran directamente uno encima del otro, pero sólo tocaos unos a otros en estas asperezas. Por tanto, la estructura de la red atómica no juega ningún papel en esta interacción. Esto es bastante diferente para los objetos en la escala atómica, como nanomáquinas o biomoléculas. "Aquí, superficies atómicamente lisas se tocan entre sí. Por lo tanto, la superficie también juega un papel y debe tenerse en cuenta en los cálculos del modelo, "explica la física de PTB Tanja E. Mehlstäubler." Estos modelos también explican fenómenos fascinantes como la superlubricidad, donde la fricción estática se vuelve casi inexistente. Ocurre cuando dos superficies cristalinas son inconmensurables entre sí. Esto significa que la relación de los espacios de celosía de las superficies deslizantes es irracional. Esto lleva a que no haya ningún lugar donde las dos superficies coincidan exactamente entre sí ".

Por lo tanto, hay suficientes razones para medir con precisión la fricción a nanoescala e investigar su dinámica. Ya existe un poderoso instrumento para medir la fricción, el microscopio de fuerza de fricción. "El acceso experimental directo a la dinámica de un sistema de fricción es casi imposible. Los sistemas modelo en los que los átomos se controlan fácilmente, tanto temporal como espacialmente, son por lo tanto indispensables. Esto nos permite investigarlos, ", explica Mehlstäubler. Los científicos de PTB han presentado un sistema de este tipo. junto con sus socios de Sydney. Los iones de iterbio que se mantienen en una trampa de iones se enfrían mediante láseres hasta tal punto (hasta unas pocas milikelvinas) que forman un cristal formado por dos cadenas. Los iones se ordenan de tal manera que el vecino más cercano esté siempre lo más lejos posible. Esta estructura se llama zigzag.

Dos de estas cadenas de iones son una representación muy precisa de los dos socios de un proceso de fricción, y son fáciles de observar con mucha precisión. Cuando los iones de iterbio se irradian con luz cuya frecuencia está cerca de su frecuencia de resonancia, comienzan a emitir fluorescencia. "De este modo, podemos observar las partículas atómicas individuales en su movimiento a través de nuestra óptica de imágenes, "añade Jan Kiethe, físico de PTB y autor principal del estudio. Una transición entre dos fases diferentes, que fue causado por la presencia de un defecto de celosía estructural, ha sido observado y analizado aquí. En uno de los regímenes, la fricción estática es el actor principal en la dinámica del transporte; en el otro régimen, es fricción deslizante.

La dinámica de las cadenas de iones es comparable a la de las cadenas de moléculas como el ADN. En su estudio, los científicos han creado un sistema de modelo físico para investigar la compleja dinámica de la fricción en 1-D, Sistemas 2-D y 3-D con precisión atómica. Es más, este sistema modelo ha allanado el camino para la investigación de los fenómenos de transporte en el régimen cuántico.