Mientras muchos de nosotros nos esforzamos por evitar resbalones en climas helados, ¡los científicos de la Universidad de Leicester están buscando formas de hacer que las carreteras sean más resbaladizas! Resolvieron un problema difícil en el principio de superlubricación: en un estado superlubricado, la fricción entre dos superficies que se deslizan entre sí es muy pequeña o incluso casi desaparece. Publicaron sus conclusiones en la revista Physical Review Letters.
Aprenda sobre la superlubricidad
La superlubricidad está asociada con superficies molecularmente lisas como el grafeno y hasta ahora solo se ha observado en entornos de laboratorio, donde estas superficies se sintetizan a escala nanométrica y micrométrica. La superlubricación tiene el potencial de reducir la fricción entre 1.000 y 10.000 veces en comparación con la fricción convencional en máquinas y dispositivos mecánicos.
La mayoría de la gente sabrá intuitivamente que la fricción (la resistencia de un objeto al deslizamiento) de un objeto pesado es mayor que la de un objeto ligero. Esta es también la ley de fricción de Amonton-Coulomb propuesta hace más de 300 años.
Sin embargo, esto no se aplica a la superlubricación. Este fenómeno es decenas de miles de veces menor que la fricción tradicional y la fricción no depende del peso del objeto. En otras palabras, aumentar el peso de un objeto de unos pocos gramos a decenas de kilogramos no cambia la magnitud de la fuerza de fricción.
Nuevos descubrimientos sobre la fricción
Pero un equipo internacional de científicos, dirigido por el profesor Nikolai Brilliantov de la Universidad de Leicester, ha descubierto que las fluctuaciones "sincrónicas" en la superficie de un objeto son causadas por vibraciones aleatorias de los átomos de la superficie, lo que crea fricción. Esta vibración existe a cualquier temperatura distinta de cero y su intensidad se debilita a medida que la temperatura disminuye. Esto significa que al reducir la temperatura de la superficie, los efectos de la fricción se pueden reducir aún más.
El profesor Brilliantov, de la Escuela de Computación y Ciencias Matemáticas de Leicester, dijo: "Esta gran diferencia con la fricción ordinaria es curiosa y necesita ser explicada. Hay otras características sorprendentes de la hiperlubricación, como la dependencia inusual de la fricción con la velocidad de deslizamiento, la temperatura y el área de contacto. Todas estas dependencias son opuestas a las predichas por la ley tradicional de Amonton-Coulomb. Explicar el misterioso comportamiento de la superlubricación ayudará a controlar la fricción ultrabaja, abriendo perspectivas asombrosas para sus aplicaciones industriales".
Métodos y resultados de la investigación.
Para estudiar los principios de la superlubricidad, crearon el contacto de dos superficies molecularmente lisas (una punta que se desliza sobre un sustrato, ambas superficies cubiertas con una capa de grafeno) y midieron la fricción mediante microscopía de fuerza lateral. También realizaron experimentos numéricos a gran escala "en silicio" utilizando simulaciones de dinámica molecular para crear un modelo muy realista del fenómeno real.
Las dos superficies deberían ser desproporcionadas, lo que significa que las "colinas" potenciales en la estructura molecular de una superficie no deberían coincidir con los "pozos" potenciales de la otra superficie. Las dos superficies son como dos cartones de huevos unidos: si encajan, se bloquean, lo que requiere más fuerza para provocar el deslizamiento.
Si la temperatura de la superficie es distinta de cero, se producirá fricción debido a las ondulaciones de la superficie causadas por las fluctuaciones térmicas. Los científicos demostraron que la fricción es causada por fluctuaciones térmicas "sincrónicas", en las que dos superficies se flexionan al mismo tiempo y permanecen en estrecho contacto. Cuanto mayor es la temperatura de la superficie, mayor es la amplitud de las fluctuaciones sincronizadas; cuanto mayor es el área de contacto, mayor es el número de fluctuaciones de la superficie que impiden el movimiento relativo.
Impacto en el futuro
El profesor Brilliantov añadió: "Hemos podido explicar el mecanismo atómico del misterioso fenómeno de que la fricción es independiente del peso de un objeto y formular nuevas leyes de fricción para la superlubricidad. Estas leyes, aunque en marcado contraste con la ley de Amonton-Coulomb, describen muy bien este fenómeno. "Una vez que se produce una capa superficial lisa de moléculas en la escala milimétrica o centimétrica, todos los contactos móviles, giratorios y oscilantes en máquinas y mecanismos quedarán cubiertos con esta capa superficial. Esto reducirá significativamente el consumo de energía a escala global. Para reducir aún más el consumo de energía, los contactos más grandes se mantendrán fríos."
Fuente compilada: ScitechDaily