Trabajando juntos para estudiar la fricción a escala atómica, Los investigadores de UC Merced y la Universidad de Pensilvania han realizado los primeros experimentos y simulaciones de fricción a escala atómica a velocidades superpuestas.

En "Dinámica de la fricción atómica stick-slip examinada con microscopía de fuerza atómica y simulaciones atomísticas a velocidades superpuestas, "Abre una nueva ventana. Un artículo publicado en Cartas de revisión física , Ashlie Martini, profesora de ingeniería de UC Merced, El estudiante graduado Zhijiang Ye y sus socios en Penn revelan cómo superaron las limitaciones tecnológicas de estudiar la fricción a una escala tan pequeña. Esperan que su trabajo eventualmente conduzca a una mayor comprensión de cómo controlar la fricción y el desgaste de la maquinaria.

El equipo aceleró un microscopio de fuerza atómica real y ralentizó una simulación de uno, agregar a un cuerpo de conocimiento sobre un fenómeno llamado "fricción de pegado-deslizamiento, "que a menudo afecta el deslizamiento tanto a escala macro como atómica.

Martini y Ye trabajaron con el profesor de ingeniería mecánica y mecánica aplicada de Penn, el profesor Robert Carpick y varios otros estudiantes graduados. Es una colaboración cultivada durante muchos años.

"Estamos juntos en nuestra tercera subvención de la National Science Foundation (NSF), ", Dijo Martini." Nuestros modelos explican los experimentos, y los experimentos ayudan a verificar los modelos ".

La fricción de palo-deslizamiento, la resistencia asociada con el deslizamiento, es el producto de puntos atómicos de contacto entre dos objetos que se pegan temporalmente entre sí. Permanecen así hasta que la fuerza aplicada proporciona suficiente energía elástica para que se rompan. Luego, los puntos se deslizan y se deslizan hasta que se atascan nuevamente.

Pero estudiar las interacciones atómicas que subyacen a la fricción entre palos y deslizamientos 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 (AFM), un instrumento ultrasensible capaz de medir fuerzas de nanonewton, como un punto de contacto. Debido a 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 una superficie. Los modelos de Martini y Ye predicen la dinámica de todos los átomos individuales en esa punta.

La calidad de las mediciones en un experimento AFM depende de la prevención de vibraciones parásitas en la punta. Generalmente, los investigadores arrastran la punta aproximadamente 1 micrómetro por 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.

Pero hacer las mediciones de esta manera tiene sus problemas:cada cuadro de una simulación debe calcularse en pasos tan pequeños que una computadora necesitaría unos 30 años para simular la velocidad micrométrica por segundo del experimento AFM real.

Para superar esta limitación, típicamente, las puntas simuladas se deslizan un millón de veces más rápido que en los experimentos, por lo que los investigadores necesitaban encontrarse en el medio. Martini y Ye encontraron una manera de ralentizar las sugerencias de sus modelos, mientras que los investigadores de Penn aceleraron sus reales.

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

Además de los resultados de la propia investigación, Martini dijo que la colaboración beneficia a los estudiantes graduados de UC Merced. Van a Penn durante algunas semanas cada año y trabajan directamente con sus investigadores asociados, lo que les ayuda a prepararse para la vida después de la escuela de posgrado.

"La escuela de posgrado puede ser bastante insular, ", Dijo Martini." Esto ayuda a preparar a los estudiantes para el mundo real, donde el trabajo en equipo es algo común ".