(Phys.org) —El desgaste es una realidad. A medida que las superficies se frotan entre sí, se rompen y pierden su forma original. Con menos material para empezar y una funcionalidad que a menudo depende fundamentalmente de la forma y la estructura de la superficie, el desgaste afecta a los objetos a nanoescala con más fuerza que a sus contrapartes a macroescala.

Peor, Los mecanismos detrás de los procesos de desgaste se comprenden mejor para cosas como motores de automóviles que para dispositivos nanotecnológicos. Pero ahora, Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania han demostrado experimentalmente uno de los mecanismos detrás del desgaste en la escala más pequeña:la transferencia de material, átomo por átomo, de una superficie a otra.

La investigación fue realizada por Tevis Jacobs, estudiante de doctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y Robert Carpick, presidente del departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada.

Su investigación fue publicada en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

En la nanoescala, el desgaste se entiende principalmente a través de dos procesos, fractura y deformación plástica. La fractura es donde grandes pedazos de una superficie se rompen a la vez, como cuando la punta de un lápiz se rompe en medio de una oración. La deformación plástica es lo que ocurre cuando la superficie cambia de forma o se comprime sin romperse, como cuando el filo del cuchillo se desafila o se dobla.

Estos mecanismos suelen afectar a miles o millones de átomos a la vez, mientras que el desgaste a nanoescala a menudo se produce a través de un proceso mucho más gradual. Determinar los mecanismos detrás de este proceso más gradual es clave para mejorar dichos dispositivos.

"A nanoescala, el desgaste es un problema muy importante, "Dice Jacobs." La nanotecnología está desarrollando piezas cada vez más pequeñas para máquinas muy pequeñas. Sus interfaces de contacto se desgastan muy rápidamente, a veces sobreviviendo durante cientos de ciclos cuando necesitan sobrevivir durante billones o más ".

Un mecanismo de desgaste que se había planteado como hipótesis para la nanoescala es un proceso conocido como desgaste atómico. Allí, los átomos de una superficie se transfieren a la otra superficie a través de una serie de reacciones químicas individuales de formación y ruptura de enlaces. Otros investigadores han intentado probar este proceso poniendo dos superficies en contacto y deslizándolas una contra la otra.

Esas investigaciones anteriores involucraron microscopios de fuerza atómica. El uso de un AFM implica arrastrar una punta muy afilada montada en un voladizo flexible sobre una superficie, mientras que un láser dirigido al voladizo mide con precisión cuánto se mueve la punta. Al usar la punta como una de las superficies en un experimento de desgaste, los investigadores pueden controlar con precisión la distancia de deslizamiento, Velocidad de deslizamiento y carga en el contacto. Pero el AFM no visualiza el experimento en absoluto; el volumen de átomos perdidos de la punta solo se puede inferir o examinar después del hecho, y los mecanismos de desgaste de la competencia, No se pueden descartar fracturas y deformaciones plásticas.

El gran avance del equipo de Penn fue realizar experimentos de desgaste al estilo AFM dentro de un microscopio electrónico de transmisión, o TEM, que pasa un haz de electrones a través de una muestra (en este caso, la punta a nanoescala) para generar una imagen de la muestra, ampliada más de 100, 000 veces.

Al modificar un instrumento de prueba mecánico comercial que funciona dentro de un TEM, los investigadores pudieron deslizar una superficie plana de diamante contra la punta de silicio de una sonda AFM. Al colocar el conjunto sonda-voladizo dentro del TEM y ejecutar el experimento de desgaste allí, pudieron medir simultáneamente la distancia que se deslizó la punta, la fuerza con la que entró en contacto con el diamante y el volumen de átomos extraídos en cada intervalo de deslizamiento.

"Podemos ver todo el proceso en vivo para ver qué sucede mientras las superficies están en contacto, "Dijo Jacobs." Entonces, después de cada pase, usamos el TEM como una cámara y tomamos una imagen con un aumento aún mayor de la punta. Podemos trazar su contorno y ver cuánto volumen se ha perdido, hasta tan solo 25 nanómetros cuadrados, o alrededor de 1250 átomos.

"Estamos midiendo cambios en el volumen que son mil veces más pequeños que los que se pueden ver utilizando otras técnicas de detección de desgaste".

Si bien este nuevo método de microscopía no puede obtener imágenes de átomos individuales que se mueven desde la punta de silicio hasta el punzón de diamante, permitió a los investigadores ver la estructura atómica de la punta de uso lo suficientemente bien como para descartar fracturas y deformaciones plásticas como el mecanismo detrás del desgaste de la punta. Probar que los átomos de silicio de la punta se unían al diamante y luego se quedaban atrás implicaba combinar los datos visuales y de fuerza en una prueba matemática.

"Si lo que está sucediendo es el desgaste atómico, "Carpick dijo, "entonces, la velocidad a la que se forman esos enlaces y la dependencia de la tensión de contacto (la fuerza por unidad de área) es una ciencia bien establecida. Eso significa que podemos aplicar la cinética química, o teoría de la velocidad de reacción, al proceso de desgaste ".

Ahora que podían medir el volumen de átomos extraídos, la distancia que se deslizó la punta y la fuerza del contacto para cada prueba experimental, Los investigadores pudieron calcular la velocidad a la que se forman los enlaces de silicio y diamante en diferentes condiciones y compararla con las predicciones basadas en la teoría de la velocidad de reacción. una teoría que se utiliza habitualmente en química.

"Cuanta más fuerza están sometidos los átomos, cuanto más probable es que formen un enlace con un átomo en la superficie opuesta, por lo que la tasa de desgaste debería acelerarse exponencialmente con estrés adicional, "Dijo Jacobs." Ver eso en los datos experimentales era una prueba irrefutable. La tendencia en los datos implica que podemos predecir la tasa de desgaste de la punta, conociendo solo los niveles de estrés en el contacto, siempre que este mecanismo de desgaste sea dominante ".

Por ahora, esas predicciones solo se pueden hacer sobre el desgaste del silicio en el diamante en el vacío, aunque la selección de esos dos materiales no fue accidental. Son comunes en dispositivos y herramientas a nanoescala para nanofabricación.

Las matemáticas detrás del mecanismo de desgaste atómico podrían eventualmente aplicarse de manera fundamental.

"El objetivo de esta vía de investigación es llegar al punto en el que me digas los materiales en contacto, y usted me dice el período en el que están en contacto y las tensiones aplicadas y yo podré decirle la velocidad a la que se eliminarán los átomos, "Dijo Jacobs.

"Con un conocimiento fundamental del desgaste, puede diseñar superficies inteligentemente y elegir materiales para hacer dispositivos más duraderos, "Dijo Carpick.

Este fundamental, La comprensión predictiva del desgaste podría mejorar enormemente el diseño nanomecánico, aumentando la funcionalidad y disminuyendo los costos.