Los investigadores de Skoltech han explicado por qué la fricción muy débil obedece a leyes diferentes a las que rigen la fricción regular tal como la conocemos por la física escolar. Entre otras características inesperadas y contraintuitivas, las leyes de fricción alternativas formuladas por el equipo revelan por qué aumentar el peso de un cuerpo que se desliza a lo largo de una superficie no necesariamente causa una mayor fricción.

Comprender cómo funciona la fricción a nivel microscópico podría allanar el camino para controlar y explotar la fricción ultrabaja en numerosos mecanismos que ahorrarían enormes cantidades de energía en todo el mundo. Los investigadores informan sus hallazgos en Physical Review Letters .

Hasta cierto punto, todo el mundo tiene una idea intuitiva de la llamada ley de fricción de Amontons-Coulomb, cuyas manifestaciones observamos habitualmente en la vida cotidiana. Formulado hace más de 300 años, dice que la fricción, que surge, por ejemplo, cuando se arrastra un cuerpo pesado por el suelo, aumenta con el peso del cuerpo. Se dice que los dos valores (la fuerza de fricción y el peso del cuerpo) son directamente proporcionales entre sí.

"Sorprendentemente, esta ley no se aplica a la superlubricidad, el caso de una fricción extremadamente baja", afirma el profesor de Skoltech Nikolay Brilliantov, investigador principal del estudio.

"La fricción superlubric, que es órdenes de magnitud menor que la fricción convencional, no depende del peso del cuerpo, para decirlo en términos simples. Puedes aumentar el peso del cuerpo miles de veces, digamos, de un kilogramo a unas pocas toneladas. —pero la fricción no cambiará y permanecerá tan pequeña como 1 kilogramo. Este fenómeno es realmente intrigante y requiere una explicación."

Hay un par de otras características sorprendentes de la superlubricidad, como la inusual dependencia de la fuerza de fricción de la velocidad de deslizamiento, la temperatura y el área de contacto; todo esto va en contra de las leyes convencionales de Amontons-Coulomb.

Un equipo de investigadores de Skoltech dirigido por Brilliantov ha resuelto el enigma de la superlubricidad. Llevaron a cabo un estudio complejo, con experimentos realizados por el grupo del profesor Albert Nasibulin, simulaciones numéricas realizadas por el investigador Alexey Tsukanov del grupo de Brilliantov y la conceptualización teórica del fenómeno proporcionada por el propio Brilliantov.

El equipo explicó el mecanismo atomístico detrás de la desconcertante independencia de la fuerza de fricción del peso del cuerpo deslizante (de la "carga normal", en términos científicos) y formuló leyes de fricción alternativas para la superlubricidad. Describen bien el fenómeno, pero contrastan marcadamente con las leyes de Amontons-Coulomb.

En términos simples, los efectos desconcertantes pueden explicarse de la siguiente manera. La superlubricidad se asocia con superficies que son muy lisas, hasta el nivel atómico, como la superficie del grafeno, un material a base de carbono. Además, el contacto de las dos superficies debería ser desproporcionado. Eso significa que la rugosidad a nivel atómico (también llamada corrugación) de las dos superficies no debería ser mutuamente coherente.

En otras palabras, las posibles "colinas" de una superficie no deberían encajar en los potenciales "pozos" de la otra. Si las "colinas" y los "pozos" encajan, las dos superficies se unen y se necesita una fuerza considerable para hacerlas deslizarse. Las superficies desproporcionadas, por el contrario, no se bloquean y, por tanto, se deslizan fácilmente.

Aún así, puede surgir fricción debido a fluctuaciones térmicas. Las fluctuaciones fuera del plano de las superficies en contacto aumentan notablemente su rugosidad a nivel atómico, lo que dificulta el movimiento relativo de las dos superficies.

Sin embargo, los investigadores de Skoltech demostraron que no todas las fluctuaciones térmicas son importantes, sólo aquellas que están sincronizadas, cuando las dos superficies se doblan simultáneamente, mientras permanecen en estrecho contacto. Estas oscilaciones requieren una energía mínima y no dependen de la carga normal, es decir, del peso del cuerpo deslizante. Esto explica por qué la fricción es independiente del peso. Además, el deslizamiento relativo de las superficies impulsa estas fluctuaciones sincrónicas (las "arrugas de la superficie") en la dirección del movimiento con la velocidad de deslizamiento.

Tal conducción requiere energía, que se disipa en la mayor parte del material en forma de calor, lo que da como resultado una fuerza de fricción disipativa proporcional a la velocidad.

Cuanto mayor es la temperatura de las superficies, mayor es la amplitud de las fluctuaciones sincrónicas. Cuanto mayor es el área de contacto, mayor es el número de fluctuaciones superficiales que dificultan el movimiento relativo. El análisis cuantitativo de estos efectos arroja las respectivas leyes de superlubricidad informadas en el artículo.

Más información: Nikolay V. Brilliantov et al, Mecanismo atomístico de independencia de la fuerza de fricción en la carga normal y otras leyes de fricción para la superlubricidad estructural dinámica, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.266201

Información de la revista: Cartas de revisión física

Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo