La fricción es difícil de predecir y controlar, especialmente porque las superficies que entran en contacto rara vez son perfectamente planas. Nuevos experimentos demuestran que la cantidad de fricción entre dos superficies de silicio, incluso a gran escala, está determinada por la formación y ruptura de enlaces químicos microscópicos entre ellas. Esto hace posible controlar la cantidad de fricción utilizando técnicas de química de superficies. Esta investigación ha sido publicada en Physical Review Letters .
"Existe una falta de comprensión cuantitativa de la fricción, a pesar de su papel crucial para abordar desafíos tan diversos como predecir terremotos y reducir el consumo de energía en dispositivos mecánicos", dice Ph.D. el investigador Liang Peng, quien dirigió el proyecto de investigación. No es un asunto menor:se estima que la fricción es responsable de más del 20% de nuestro consumo mundial de energía. Controlar la fricción en la maquinaria también es importante para reducir el desgaste del material y aumentar la precisión del posicionamiento.
Peng trabajó junto con otros investigadores del Instituto de Física y el Instituto Van 't Hoff de Ciencias Moleculares de la Universidad de Ámsterdam, así como con el Centro de Investigación Avanzada de Nanolitografía (ARCNL). La investigación es parte de una colaboración en curso para investigar cómo surge la fricción a gran escala a nivel microscópico.
En los últimos años, nuevos métodos de investigación han permitido a los investigadores acercarse a lo que sucede exactamente cuando dos superficies hacen contacto y se deslizan una sobre otra. Lo más importante es que las superficies nunca son perfectamente lisas. A escala de un nanómetro, una milmillonésima parte del tamaño de un metro, parecen paisajes montañosos con picos y valles pronunciados.
Experimentos y simulaciones numéricas anteriores han demostrado que a esta pequeña escala, la fricción está determinada en gran medida por la formación y ruptura de enlaces entre átomos de la superficie. Esto se ve afectado no sólo por la rugosidad de las superficies deslizantes, sino también por los átomos o moléculas (como el agua) que están presentes en la interfaz.
"Decidimos ampliar y aplicar estos mecanismos de nanofricción a escalas más grandes y relevantes desde el punto de vista industrial", explica Peng. Utilizando un instrumento especial llamado reómetro, los investigadores estudiaron cómo la cantidad de fricción entre una bola de silicio relativamente rugosa y una oblea de silicio lisa depende de la densidad de los enlaces químicos microscópicos en la interfaz. El silicio (Si) es un material especialmente interesante de estudiar gracias a su uso generalizado en la industria de los semiconductores. Su abundancia en la corteza terrestre también lo hace relevante para el estudio de los terremotos.
Después de limpiar las superficies de contaminantes, los investigadores descubrieron que se necesita mucha menos fuerza para deslizar la bola sobre la oblea (en otras palabras, hay menos fricción) cuando las superficies se secan durante más tiempo en gas nitrógeno puro. Otros experimentos demostraron lo que sucede a nivel de átomos:un secado más prolongado reduce la cantidad de grupos hidroxilo (OH) expuestos en la superficie del silicio. Cuando se ponen en contacto con otra superficie de silicio, la presencia de estos grupos da como resultado la formación de enlaces silicio-oxígeno-silicio (Si-O-Si) entre las dos superficies.
La investigación demuestra que existe una sorprendente relación entre la fuerza de fricción medida a gran escala y la densidad de los grupos microscópicos Si-OH presentes en las dos superficies de silicio antes del contacto, que controla el número de enlaces Si-O-Si realizados durante el contacto. La densidad de estos enlaces químicos se regula estableciendo el tiempo durante el cual se secan las superficies limpias. Curiosamente, esto significa que es posible predecir y controlar la fuerza de fricción entre superficies de silicio.
"Nuestro resultado es bastante notable porque demuestra una comprensión cuantitativa de la fricción macroscópica desde los primeros principios. Nuestros hallazgos pueden así cerrar la brecha de conocimiento que obstaculiza el control de la fricción basado en la comprensión", concluye Liang.
Más información: Liang Peng et al, Control de la fricción macroscópica mediante enlaces interfaciales de siloxano, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.226201
Información de la revista: Cartas de revisión física
Proporcionado por la Universidad de Ámsterdam
