La fricción nos rodea trabajando contra el movimiento de los neumáticos en el pavimento, el garabato de un bolígrafo sobre el papel, e incluso el flujo de proteínas a través del torrente sanguíneo. Siempre que dos superficies entren en contacto, hay fricción, excepto en casos muy especiales donde la fricción esencialmente desaparece, un fenómeno, conocido como "superlubricidad, "en el que las superficies simplemente se deslizan unas sobre otras sin resistencia.

Ahora, los físicos del MIT han desarrollado una técnica experimental para simular la fricción a nanoescala. Usando su técnica, los investigadores pueden observar directamente átomos individuales en la interfaz de dos superficies y manipular su disposición, sintonizando la cantidad de fricción entre las superficies. Al cambiar el espaciado de los átomos en una superficie, observaron un punto en el que desaparece la fricción.

Vladan Vuletic, el profesor Lester Wolfe de Física en el MIT, dice que la capacidad de ajustar la fricción sería útil para desarrollar nanomáquinas, pequeños robots construidos a partir de componentes del tamaño de moléculas individuales. Vuletic dice que a nanoescala, la fricción puede exigir una fuerza mayor, por ejemplo, creando desgaste en motores diminutos mucho más rápido de lo que ocurre a escalas más grandes.

"Hay un gran esfuerzo por comprender la fricción y controlarla, porque es uno de los factores limitantes de las nanomáquinas, pero ha habido relativamente poco progreso en el control real de la fricción a cualquier escala, "Dice Vuletic." Lo nuevo en nuestro sistema es, por primera vez a escala atómica, podemos ver esta transición de la fricción a la superlubricidad ".

Vuletic, junto con los estudiantes graduados Alexei Bylinskii y Dorian Gangloff, publique sus resultados hoy en la revista Ciencias .

Campos de fuerza y ​​fricción

El equipo simuló la fricción a nanoescala diseñando primero dos superficies que se colocarían en contacto:una red óptica, y un cristal de iones.

La red óptica se generó utilizando dos rayos láser que viajan en direcciones opuestas, cuyos campos se suman para formar un patrón periódico sinusoidal en una dimensión. Esta llamada celosía óptica es similar a un cartón de huevos, donde cada pico representa un potencial eléctrico máximo, mientras que cada comedero representa un mínimo. Cuando los átomos viajan a través de un campo eléctrico de este tipo, se sienten atraídos por lugares de mínimo potencial; en este caso, los comederos.

Luego, Vuletic diseñó una segunda superficie:un cristal de iones, esencialmente, una cuadrícula de átomos cargados, para estudiar los efectos de la fricción, átomo por átomo. Para generar el cristal de iones, el grupo usó luz para ionizar, o cobrar, átomos neutros de iterbio que emergen de un pequeño horno calentado, y luego los enfrió con más luz láser hasta justo por encima del cero absoluto. Los átomos cargados pueden entonces quedar atrapados usando voltajes aplicados a superficies metálicas cercanas. Una vez cargada positivamente, cada átomo se repele a través de la llamada "fuerza de Coulomb". La repulsión mantiene separados los átomos, de modo que formen una superficie cristalina o enrejada.

Luego, el equipo utilizó las mismas fuerzas que se utilizan para atrapar los átomos para empujar y tirar del cristal de iones a través de la red. así como estirar y apretar el cristal de iones, como un acordeón, alterando el espacio entre sus átomos.

Un terremoto y una oruga.

En general, los investigadores encontraron que cuando los átomos en el cristal de iones estaban espaciados regularmente, a intervalos que coincidían con el espaciado de la red óptica, las dos superficies experimentaron la máxima fricción, como dos ladrillos Lego complementarios. El equipo observó que cuando los átomos están espaciados de modo que cada uno ocupe un valle en la red óptica, cuando el cristal de iones en su conjunto se arrastra a través de la red óptica, los átomos primero tienden a pegarse en los canales de la celosía, ligados allí por su preferencia por el potencial eléctrico más bajo, así como por las fuerzas de Coulomb que mantienen separados los átomos. Si se aplica suficiente fuerza, el cristal de iones se desliza de repente, a medida que los átomos saltan colectivamente a la siguiente depresión.

"Es como un terremoto, "Dice Vuletic." Se está acumulando fuerza, y luego, de repente, se produce una liberación de energía catastrófica ".

El grupo continuó estirando y apretando el cristal de iones para manipular la disposición de los átomos, y descubrió que si el espaciado de los átomos no coincide con el de la red óptica, la fricción entre las dos superficies desaparece. En este caso, el cristal tiende a no pegarse y luego resbala repentinamente, pero para moverse con fluidez a través de la red óptica, muy parecido a una oruga que avanza lentamente por el suelo.

Por ejemplo, en arreglos donde algunos átomos están en valles mientras que otros están en picos, y otros están en algún punto intermedio, a medida que el cristal de iones atraviesa la red óptica, un átomo puede deslizarse un poco hacia abajo, liberando un poco de estrés, y facilitando que un segundo átomo salga de una depresión, lo que a su vez arrastra a un tercer átomo, etcétera.

"Lo que podemos hacer es ajustar a voluntad la distancia entre los átomos para que coincida con la red óptica para obtener la máxima fricción, o no coinciden sin fricción, "Dice Vuletic.

Gangloff agrega que la técnica del grupo puede ser útil no solo para realizar nanomáquinas, sino también para controlar proteínas, moléculas, y otros componentes biológicos.

"En el dominio biológico, hay varias moléculas y átomos en contacto entre sí, deslizándose como motores biomoleculares, como resultado de la fricción o falta de fricción, "Dice Gangloff." Así que esta intuición sobre cómo organizar los átomos para minimizar o maximizar la fricción podría aplicarse ".