Este esquema muestra la estructura reticular del magneteno, con las esferas de color rojo oscuro que representan el hierro y las de color rojo más claro que representan el oxígeno. Crédito:Shwetank Yadav / Ingeniería de la Universidad de Toronto
Un equipo de investigadores de la Universidad de Ingeniería de Toronto y la Universidad de Rice ha informado sobre las primeras mediciones del comportamiento de fricción ultrabaja de un material conocido como magneteno. Los resultados señalan el camino hacia estrategias para diseñar materiales similares de baja fricción para su uso en una variedad de campos, incluidos dispositivos diminutos e implantables.
El magneteno es un material 2D, lo que significa que está compuesto por una sola capa de átomos. En este sentido, es similar al grafeno, un material que se ha estudiado intensamente por sus propiedades inusuales, incluida la fricción ultrabaja, desde su descubrimiento en 2004.
"La mayoría de los materiales 2D se forman como láminas planas", dice Ph.D. candidato Peter Serles, autor principal del nuevo artículo publicado hoy en Science Advances .
"La teoría era que estas láminas de grafeno exhiben un comportamiento de baja fricción porque están unidas muy débilmente y se deslizan entre sí con mucha facilidad. Puedes imaginarlo como desplegar una baraja de cartas:no se necesita mucho esfuerzo para extiende el mazo porque la fricción entre las cartas es realmente baja".
El equipo, que incluye a los profesores Tobin Filleter y Chandra Veer Singh, el posdoctorado Shwetank Yadav y varios estudiantes actuales y graduados de sus grupos de laboratorio, quería probar esta teoría comparando el grafeno con otros materiales 2D.
Mientras que el grafeno está hecho de carbono, el magneteno está hecho de magnetita, una forma de óxido de hierro, que normalmente existe como una red 3D. Los colaboradores del equipo de la Universidad de Rice trataron magnetita 3D usando ondas de sonido de alta frecuencia para separar cuidadosamente una capa que constaba de solo unas pocas láminas de magneteno 2D.
Luego, el equipo de ingeniería de la Universidad de Toronto colocó las láminas de magneteno en un microscopio de fuerza atómica. En este dispositivo, se arrastra una sonda de punta afilada sobre la parte superior de la hoja de magneteno para medir la fricción. El proceso es comparable a cómo se arrastra la aguja de un tocadiscos por la superficie de un disco de vinilo.
El candidato a doctorado Peter Serles coloca una muestra de magneteno en el microscopio de fuerza atómica. Nuevas mediciones y simulaciones de este material muestran que su comportamiento de baja fricción se debe a efectos cuánticos. Crédito:Daria Perevezentsev/Universidad de Ingeniería de Toronto
"Los enlaces entre las capas de magneteno son mucho más fuertes de lo que serían entre una pila de láminas de grafeno", dice Serles. "No se deslizan entre sí. Lo que nos sorprendió fue la fricción entre la punta de la sonda y la porción superior de magneteno:era tan baja como la del grafeno".
Hasta ahora, los científicos habían atribuido la baja fricción del grafeno y otros materiales 2D a la teoría de que las láminas pueden deslizarse porque solo están unidas por fuerzas débiles conocidas como fuerzas de Van der Waals. Pero el comportamiento de baja fricción del magneteno, que no exhibe estas fuerzas debido a su estructura, sugiere que algo más está sucediendo.
"Cuando pasas de un material 3D a un material 2D, comienzan a suceder muchas cosas inusuales debido a los efectos de la física cuántica", dice Serles. "Dependiendo del ángulo en el que cortes la rebanada, puede ser muy suave o muy áspera. Los átomos ya no están tan restringidos en esa tercera dimensión, por lo que pueden vibrar de diferentes maneras. Y la estructura electrónica también cambia. Descubrimos que todos de estos juntos afectan la fricción ".
El equipo confirmó el papel de estos fenómenos cuánticos al comparar sus resultados experimentales con los predichos por simulaciones por computadora. Yadav y Singh construyeron modelos matemáticos basados en la teoría funcional de la densidad para simular el comportamiento de la punta de la sonda deslizándose sobre el material 2D. Los modelos que incorporaron los efectos cuánticos fueron los mejores predictores de las observaciones experimentales.
Serles dice que el resultado práctico de los hallazgos del equipo es que ofrecen nueva información para los científicos e ingenieros que desean diseñar intencionalmente materiales de fricción ultrabaja. Tales sustancias podrían ser útiles como lubricantes en diversas aplicaciones a pequeña escala, incluidos los dispositivos implantables.
Por ejemplo, uno podría imaginar una pequeña bomba que administra una cantidad controlada de un fármaco determinado en una parte determinada del cuerpo. Otros tipos de sistemas microelectromecánicos podrían recolectar la energía de un corazón que late para alimentar un sensor, o alimentar un pequeño manipulador robótico capaz de separar un tipo de célula de otra en una placa de Petri.
"Cuando se trata de piezas móviles tan pequeñas, la relación entre el área de la superficie y la masa es realmente alta", dice Filleter, autor correspondiente del nuevo estudio. "Eso significa que es mucho más probable que las cosas se atasquen. Lo que hemos demostrado en este trabajo es que es precisamente debido a su pequeña escala que estos materiales 2D tienen una fricción tan baja. Estos efectos cuánticos no se aplicarían a materiales 3D más grandes. ."
Serles dice que estos efectos dependientes de la escala, combinados con el hecho de que el óxido de hierro no es tóxico y es económico, hace que el magneteno sea muy atractivo para su uso en dispositivos mecánicos implantables. Pero añade que hay más trabajo por hacer antes de que los comportamientos cuánticos se entiendan por completo.
"Hemos probado esto con otros tipos de materiales 2D a base de hierro, como el hemateno o el cromiteno, y no vemos las mismas firmas cuánticas o el mismo comportamiento de baja fricción", dice. "Entonces, debemos concentrarnos en por qué están sucediendo estos efectos cuánticos, lo que podría ayudarnos a ser más intencionales en el diseño de nuevos tipos de materiales de baja fricción". Modelar la fricción entre las páginas de un libro
