El desgaste y la fricción son problemas cruciales en muchos sectores industriales:¿Qué sucede cuando una superficie se desliza sobre otra? ¿Qué cambios se deben esperar en el material? ¿Qué significa esto para la durabilidad y seguridad de las máquinas?

Lo que sucede a nivel atómico no se puede observar directamente. Sin embargo, una herramienta científica adicional está ahora disponible para este propósito:Por primera vez, Las complejas simulaciones por computadora se han vuelto tan poderosas que el desgaste y la fricción de materiales reales se pueden simular a escala atómica.

El equipo de tribología de TU Wien (Viena), dirigido por el profesor Carsten Gachot, ha demostrado que este nuevo campo de investigación ofrece resultados fiables en una publicación actual de la reconocida revista científica Interfaces y materiales aplicados ACS . El comportamiento de superficies compuestas por cobre y níquel se simuló con computadoras de alto rendimiento. Los resultados se corresponden sorprendentemente bien con las imágenes de microscopía electrónica, pero también proporcionan información adicional valiosa.

La fricción cambia los granos minúsculos

A simple vista no se ve particularmente espectacular cuando dos superficies se deslizan una sobre la otra. Pero a nivel microscópico, tienen lugar procesos muy complicados:"Metales, como se utilizan en tecnología, tienen una microestructura especial, "explica el Dr. Stefan Eder, primer autor de la publicación actual. "Consisten en pequeños granos con un diámetro del orden de micrómetros o incluso menos".

Cuando un metal se desliza sobre el otro bajo un alto esfuerzo cortante, los granos de los dos materiales entran en contacto intenso entre sí:se pueden girar, deformado o desplazado, pueden romperse en granos más pequeños o crecer debido al aumento de temperatura o fuerza mecánica. Todos estos procesos, que tienen lugar a escala microscópica, en última instancia, determinan el comportamiento del material a gran escala y, por lo tanto, también determinan la vida útil de una máquina, la cantidad de energía perdida en un motor debido a la fricción, o qué tan bien funciona un freno, en el que se desea la mayor fuerza de fricción posible.

Experimento y simulación por computadora

"El resultado de estos procesos microscópicos se puede examinar en un microscopio electrónico, ", dice Stefan Eder." Se puede ver cómo ha cambiado la estructura de grano de la superficie. Sin embargo, todavía no ha sido posible estudiar la evolución temporal de estos procesos y explicar exactamente qué causa qué efectos y en qué momento ".

Esta brecha ahora se está cerrando con grandes simulaciones de dinámica molecular desarrolladas por el equipo de tribología de TU Wien en cooperación con el Centro de Excelencia de Tribología (AC²T) en Wiener Neustadt y el Imperial College de Londres:átomo por átomo, las superficies se simulan en la computadora. Cuanto mayor sea el trozo de material simulado y mayor sea el período de tiempo simulado, más potencia de la computadora se necesita. "Simulamos secciones con una longitud lateral de hasta 85 nanómetros, durante un período de varios nanosegundos, "dice Stefan Eder. Eso no parece mucho, pero es notable:incluso el Grupo Científico 4 de Viena, La supercomputadora más grande de Austria, a veces puede estar ocupado con esas tareas durante meses.

El equipo investigó el desgaste de las aleaciones de cobre y níquel, y lo hizo utilizando diferentes proporciones de mezcla de los dos metales y diferentes cargas mecánicas. "Nuestras simulaciones por computadora revelaron exactamente la variedad de procesos, cambios microestructurales y efectos de desgaste que ya se conocen a partir de experimentos, ", dice Stefan Eder." Podemos utilizar nuestras simulaciones para producir imágenes que se correspondan exactamente con las imágenes del microscopio electrónico. Sin embargo, nuestro método tiene una ventaja decisiva:luego podemos analizar el proceso en detalle en la computadora. Sabemos qué átomo cambió de lugar en qué momento, y qué sucedió exactamente con qué grano en qué fase del proceso ".

Comprensión del desgaste:optimización de los procesos industriales

Los nuevos métodos ya son recibidos con gran interés por parte de la industria:"Durante años, Ha habido una discusión en curso de que la tribología podría beneficiarse de simulaciones por computadora confiables. Ahora hemos llegado a una etapa en la que la calidad de las simulaciones y la potencia informática disponible son tan excelentes que podríamos usarlas para responder preguntas interesantes que de otro modo no serían accesibles. "dice Carsten Gachot. En el futuro, también quieren analizar, comprender, y mejorar los procesos industriales a nivel atómico.