Imagen de intensidad de fluorescencia del contacto entre una esfera de poliestireno y el sustrato de vidrio. La barra de escala indica el gradiente de intensidad de fluorescencia desde el valor más bajo (azul) al más alto (rojo). Las regiones azules corresponden al área de carga. Crédito:HIMS / Science Advances
En un artículo reciente en Avances de la ciencia , Investigadores de la Universidad de Amsterdam presentan nuevos conocimientos experimentales sobre cómo funciona la lubricación. Han desarrollado un nuevo método que utiliza moléculas fluorescentes para observar directamente películas de lubricación nanométricas con una sensibilidad de una sola capa molecular. Su descripción cuantitativa de la relación entre topografía, La presión de contacto y la lubricación proporcionan una comprensión más profunda de la lubricación.
La fricción y el desgaste son responsables de una gran fracción del consumo mundial de energía y, por lo tanto, contribuyen enormemente a las emisiones de gases de efecto invernadero. Literalmente, todo objeto en movimiento disipa energía a través de la fricción. Se pueden encontrar ejemplos con gran impacto económico en los sectores de transporte y energía:piense en un motor de combustión interna o una turbina de gas.
Para reducir la fricción y el desgaste, Los contactos deslizantes y rodantes suelen estar lubricados. Por ejemplo, en un motor de combustión interna, el aceite del motor actúa como lubricante, evitando el contacto sólido sobre sólido entre el segmento del pistón y la pared del cilindro, reduciendo la fricción y el desgaste en esta interfaz.
Capas de lubricante más delgadas
En general, existe una tendencia hacia capas de lubricación más delgadas debido a requisitos cada vez más estrictos sobre el uso del material, demandas de mayor eficiencia, y la necesidad de lubricantes "más ecológicos". Bajo estas condiciones, la lubricación exitosa y el funcionamiento seguro a largo plazo son cada vez más sensibles a la topografía de las superficies lubricadas. Aunque muchos estudios en ingeniería y física han llevado a un alto nivel de comprensión de la lubricación, a pequeña escala, donde las capas se dividen, las preguntas importantes aún no han sido respondidas. Un eslabón perdido importante es una visión experimental detallada de la influencia de las características específicas de la topografía de la superficie en la transición entre diferentes regímenes de lubricación. En particular, Existe mucha discusión sobre los fenómenos que ocurren cuando el espesor de la película de lubricación abarca solo unas pocas moléculas.
Vinculación de la topografía de la superficie con los fenómenos de lubricación
Estudios fundamentales, por ejemplo en las fuerzas de fricción usando microscopía de fuerza atómica, han proporcionado alguna información. Sin embargo, ya que se refieren a la escala microscópica, su relevancia para los fenómenos macroscópicos es limitada. Por otra parte, Estudiar la interacción entre la lubricación y la topografía de la superficie a escala macroscópica es un gran desafío, ya que la capa de lubricación está enterrada entre dos sólidos y, por lo tanto, es difícil acceder a ella experimentalmente.
En su papel en Avances de la ciencia , los investigadores ahora presentan los resultados de un nuevo enfoque que permite la investigación fundamental a nivel macroscópico con muy alta resolución, vincular la topografía de la superficie con los fenómenos de lubricación. La investigación se realizó en el Instituto Van 't Hoff de Ciencias Moleculares (HIMS) y el Instituto de Física (IOP) de la Universidad de Ámsterdam. Investigadores del Centro Holandés de Investigación Avanzada de Nanolitografía (ARCNL), Universidad de Twente (Enschede, los Países Bajos) y la Université Paris-Saclay (París, Francia) contribuyó al estudio.
Configuración experimental. Se monta un cabezal de medición de reómetro en la parte superior de un microscopio confocal invertido. Se utiliza un cubreobjetos de vidrio flotado como sustrato transparente. Una esfera, pegado a la herramienta del reómetro, se baja al contacto con el sustrato, y el contacto se sumerge en un líquido fluorescente. Al bajar y girar la herramienta del reómetro, la fuerza normal (FN) y la fuerza de fricción se pueden imponer y medir, respectivamente. La fluorescencia se excita y se detecta a través del sustrato transparente usando el microscopio. En el recuadro, la estructura molecular del líquido fluorescente 3, 6-bis ((2-etilhexil) oxi) -1, 2, 4, Se muestra 5-tetrazina. Crédito:HIMS / Science Advances
Sondas moleculares fluorescentes
En el grupo ARCNL Contact Dynamics del Dr. Bart Weber, la atención se centra en los aspectos fundamentales de la fricción y el desgaste con relevancia para los desafíos de posicionamiento en nanolitografía. Para la investigación ahora publicada en Avances de la ciencia , el grupo unió fuerzas con el profesor Fred Brouwer y el profesor Daniel Bonn de la Universidad de Amsterdam, donde la primera autora, la Dra. Dina Petrova, obtuvo su Ph.D. a principios de este año.
Los investigadores realizaron experimentos de fricción con un lubricante muy especial inventado por los coautores franceses Dr. Clémence Allain y el Prof. Pierre Audebert:un líquido puro que consiste en moléculas fluorescentes. Lubricando transparente, contactos de vidrio sobre vidrio con este líquido, los investigadores pudieron visualizar directamente la película lubricante de solo unas pocas moléculas de espesor. Después de la excitación del líquido fluorescente a través del vidrio, midieron la intensidad de la fluorescencia local que es proporcional al número de moléculas presentes en la interfaz. Los resultados experimentales se compararon con predicciones teóricas desarrolladas conjuntamente por el profesor Kees Venner de la Universidad de Twente.
Lentes de transición
Analizando cuantitativamente la relación entre la topografía de la superficie, el espesor de la película lubricante y la fricción, los investigadores muestran que el confinamiento del lubricante entre las superficies deslizantes conduce a una transición vítrea, lo que significa que el fluido se vuelve muy viscoso y, por lo tanto, resiste ser exprimido fuera de la interfaz.
Sin embargo, el aumento de la viscosidad no siempre es suficiente para evitar el exprimido. En la interfaz, existe una competencia entre la presión y la viscosidad del lubricante. La presión interfacial depende del área de carga controlada por la topografía de la superficie:cuanto más rugosas son las dos superficies, cuanto menor sea el área de contacto (potencial). Gracias a su configuración experimental, los investigadores pudieron describir cuantitativamente esta relación entre topografía, presión de contacto y lubricación. Por lo tanto, los resultados proporcionan una comprensión más profunda de cómo funciona la lubricación y pueden ayudar a predecir el comportamiento de la fricción en una multitud de sistemas lubricados con un gran impacto social.
