NIMS, la Universidad de Tokio y la Universidad de Hiroshima descubrieron conjuntamente por primera vez, a través del cálculo teórico y la experimentación, que las fricciones macroscópicas que ocurren entre las superficies minerales de arcilla se originan a partir de fuerzas electrostáticas interatómicas entre estas superficies. Este hallazgo puede facilitar el diseño de materiales lubricantes sólidos y la comprensión de los mecanismos de deslizamiento de fallas que causan terremotos.

Fuerzas de fricción entre las superficies de cristales estratificados, como minerales arcillosos, son generalmente bajos. Se cree que esta propiedad es una causa de deslizamientos de tierra y movimientos de fallas en la naturaleza. Se han realizado esfuerzos activos en la investigación sobre la fricción para desarrollar lubricantes sólidos reductores de la fricción y para otros fines. Se pensaba que el origen de la fricción entre las superficies minerales de arcilla era inducido por algún tipo de fuerzas de unión; sin embargo, estas fuerzas no se entendieron en detalle debido a las complejas influencias de las fuerzas electrostáticas e intermoleculares entre las superficies minerales de arcilla, diferencias de orientación cristalográfica entre estas superficies, rugosidad superficial y presencia de impurezas.

Este equipo de investigación conjunto estudió la moscovita, un mineral de arcilla en capas, con superficies planas y lisas a nivel atómico. El equipo primero eliminó la humedad del espacio entre las superficies de moscovita (20 cm x 40 cm de área) aplicando alta presión en condiciones secas. Luego, el equipo midió las fuerzas de fricción entre las superficies de moscovita en diferentes posiciones de deslizamiento. Como resultado, El equipo observó partículas de desgaste producidas a partir de superficies de moscovita desgastadas y descubrió que estas partículas pueden haber anulado el efecto de la orientación cristalográfica sobre las fuerzas de fricción. El equipo también determinó las fuerzas de fricción generadas al estimar las fuerzas electrostáticas interatómicas entre superficies en contacto utilizando cálculos de mecánica cuántica. asumiendo que el efecto de la orientación cristalográfica sobre las fuerzas de fricción es nulo. Las fuerzas de fricción calculadas coincidieron casi perfectamente con los resultados experimentales. Por lo tanto, El equipo de investigación confirmó por primera vez que las fricciones que ocurren entre las superficies de minerales arcillosos de decenas de centímetros de tamaño están controladas por fuerzas electrostáticas a escala atómica.

En estudios futuros, los investigadores esperan desarrollar una teoría que explique la resistencia a la fricción en una amplia gama de minerales arcillosos, además de moscovita. Tal teoría puede proporcionar pautas de diseño de materiales para lubricantes sólidos que reducen la fricción y otros productos relacionados con la fricción.