Las limitaciones tecnológicas han dificultado el estudio de la fricción a escala atómica, pero los investigadores de la Universidad de Pennsylvania y la Universidad de California, Merced, ahora hemos logrado avances en esa búsqueda en dos frentes.

Al acelerar un microscopio de fuerza atómica real y ralentizar una simulación de uno, el equipo ha realizado los primeros experimentos a escala atómica sobre la fricción a velocidades superpuestas.

El estudio fue dirigido por el estudiante graduado Xin-Zhou Liu y el profesor y director del departamento Robert Carpick. ambos del Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn, y Ashlie Martini, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de UC Merced, con Zhijiang Ye, estudiante de posgrado en UC Merced. Yalin Dong, ex miembro del grupo de investigación de Martini, y Philip Egberts, luego miembro del grupo de investigación de Carpick, también contribuyó a la investigación.

Su estudio fue publicado en Cartas de revisión física .

Un fenómeno conocido como "fricción de pegado-deslizamiento" muy a menudo está involucrado en el deslizamiento tanto a escala macro como atómica. La resistencia asociada con la fricción es el producto de puntos atómicos de contacto entre dos objetos que se pegan temporalmente juntos, donde permanecen hasta que la fuerza aplicada proporciona suficiente energía elástica para que esos puntos se rompan. Estos puntos luego se deslizan y se deslizan hasta que se atascan nuevamente. A escala atómica, los puntos de fricción ocurren para cada conjunto repetido de átomos a lo largo de la dirección de deslizamiento.

Estudiar las interacciones atómicas que subyacen a la fricción de pegado-deslizamiento es intrínsecamente difícil, ya que los puntos de contacto se oscurecen al estar alineados entre sí. Para solucionar este problema, Los investigadores de fricción a menudo usan la punta de un microscopio de fuerza atómica, o AFM, un instrumento ultrasensible capaz de medir fuerzas de nanonewton, como uno de los puntos de contacto. Dado que una punta AFM funciona de manera muy similar a una aguja de registro, los investigadores pueden medir la fricción que experimenta la punta mientras se arrastra sobre la superficie. Los investigadores de fricción también utilizan simulaciones, que puede modelar la dinámica de todos los átomos individuales.

"Un enfoque poderoso consiste en combinar experimentos con simulaciones, "Liu dijo, "Pero el mayor problema al hacer esto en el pasado ha sido que las velocidades de deslizamiento a las que se realizan los experimentos y las simulaciones no coinciden".

La calidad de las mediciones en un experimento AFM depende de aislar la punta de cualquier vibración perdida, por lo que tradicionalmente los investigadores arrastran la punta muy lentamente, moviéndose alrededor de un micrómetro en un segundo como máximo. Para hacer coincidir este experimento en una simulación, los átomos individuales de la punta y la superficie se modelan en una computadora, y la punta virtual se arrastra a la misma distancia que la punta AFM real.

Esto presenta un problema, sin embargo, porque, para capturar el impacto que tienen los átomos individuales, cada cuadro de las simulaciones debe calcularse en pasos de femtosegundos. Una computadora que procese un millón de pasos por segundo necesitaría unos 30 años para simular la velocidad micrométrica por segundo del experimento AFM real.

"Eso significa obtener la misma distancia en un período de tiempo más corto, necesitamos mover mucho la punta del modelo, mucho mas rápido, "dijo Martini.

Con la velocidad de deslizamiento de las puntas virtuales comenzando un millón de veces más rápido que las físicas, los investigadores resolvieron encontrarse en el medio. El contingente de UC Merced trabajó para ralentizar la punta en sus simulaciones, mientras que sus homólogos de Penn desarrollaron formas de acelerar sus experimentos físicos.

Como los motores tradicionales no pueden mover las puntas AFM con la precisión nanoscópica necesaria para sus experimentos, la punta y el voladizo sobre el que está montado son accionados por una placa piezoeléctrica. La capa superior de este tipo de placa se desplaza lateralmente alejándose de la capa inferior cuando se aplica un cierto voltaje, empujando el voladizo y la punta a través de una superficie de muestra.

"Para la resolución requerida para nuestro estudio de fricción atómica, el escáner dentro de un AFM comercial solo puede alcanzar unos pocos cientos de nanómetros por segundo, "Carpick dijo." Esa es una limitación intrínseca del instrumento; si superas esa velocidad máxima, obtienes grandes oscilaciones en tu señal. Nuestra solución fue hacer una placa piezoeléctrica de corte muy compacta y usarla para mover la muestra en lugar de la punta ".

Moviendo la muestra, una fina película de oro recubierta de un troquel de silicio, en lugar de la punta que es impulsada por un escáner mucho más pesado, el equipo de Penn pudo aumentar radicalmente la velocidad general del experimento. Con menor masa, la placa más pequeña puede moverse más rápido sin causar oscilaciones ruidosas.

"El movimiento relativo es el mismo, "Liu dijo, "pero esto significa que podemos ir mil veces más rápido que antes mientras mantenemos la resolución que necesitamos. Tuvimos que agregar componentes electrónicos completamente nuevos para capturar los datos también, ya que nadie había tenido que grabarlos tan rápido antes".

Mientras el equipo de Penn aceleraba sus sistemas, el equipo de UC Merced los estaba frenando. Los investigadores aprovecharon los períodos relativamente largos de inactividad en los que se atascó la punta. esperando suficiente energía para deslizarse hacia adelante. Parte de esta energía es proporcionada por el movimiento relativo de la muestra contra la punta, pero las vibraciones aleatorias de los átomos involucrados, resultante de la energía térmica, puede hacer que la transición de deslizamiento ocurra más rápido o más lento.

"Reconociendo eso, "Martini dijo, "nos da la capacidad de utilizar un conjunto de herramientas de simulación para lo que se denominan 'sistemas de eventos poco frecuentes'. Estas son herramientas para hacer que estos eventos poco frecuentes sucedan más rápidamente y al mismo tiempo preservar la física subyacente ".

Mediante una técnica conocida como "dinámica de réplicas paralelas, "El grupo de Martini utilizó el hecho de que la probabilidad de que ocurra uno de estos eventos infrecuentes es la misma si se ejecutó una simulación durante mil femtosegundos o si se ejecutaron mil simulaciones durante un femtosegundo cada una. Ejecutando simulaciones idénticas en tantos procesadores como sea posible, los investigadores los detendrían a todos tan pronto como se les escapara una propina virtual, luego sincronice las simulaciones en ese punto y vuelva a iniciarlas todas.

"Esto nos permite aumentar efectivamente la duración de la simulación al paralelizarla en el tiempo, ", dijo Martini." Estás aumentando el tiempo de simulación y, por lo tanto, disminuyendo la velocidad de la punta del modelo en un factor de cuántos procesadores tienes ".

Al hacer coincidir las velocidades de punta en los experimentos físicos y virtuales, los investigadores pudieron demostrar una diferencia hasta ahora teórica entre la fricción a macroescala y la fricción atómica de deslizamiento-barra. Por lo general, la velocidad no influye en la cantidad de fricción que encuentran los objetos a macroescala, pero a escala atómica, la vibración de átomos individuales debido a la energía térmica podría desempeñar un papel. Los investigadores demostraron que estas vibraciones contrarrestan la fricción al ayudar a que la punta se deslice hacia adelante, pero solo hasta cierto punto. A velocidades lo suficientemente rápidas, la punta no está pegada el tiempo suficiente para recibir un "impulso" de la energía térmica.

"Investigar y comprender el efecto de la fricción a las velocidades de nuestro experimento es importante, "Liu dijo, "ya que están mucho más cerca de lo que nuestras aplicaciones de ingeniería actuales y futuras, como dispositivos micro y nanomecánicos, experimentará de lo que normalmente podemos hacer con un microscopio de fuerza atómica ".

"Este estudio, "Carpick dijo, "ahora abre muchas posibilidades para usar la información atómica completa disponible en simulaciones atomísticas para interpretar de manera confiable los resultados de los estudios experimentales. Somos optimistas que esto eventualmente conducirá a información general y práctica para comprender, controlar y reducir la fricción y el desgaste ".