La fricción a microescala depende inesperadamente de la velocidad de deslizamiento

La fricción a escala atómica parece depender de la velocidad a la que dos superficies se mueven una al lado de la otra. Este comportamiento sorprendente se observó cuando la punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM) se mueve a lo largo de un recubrimiento de grafeno, y los investigadores de las universidades de Basilea en Suiza y Tel Aviv en Israel dicen que es el resultado de la ondulación de la superficie inducida por un desajuste en la estructura reticular del grafeno. . El hallazgo, junto con las observaciones de que la fuerza de fricción se escala de manera diferente en diferentes regímenes de velocidad, podría tener aplicaciones en dispositivos como discos duros y componentes móviles en satélites o telescopios espaciales que requieren una fricción ultra baja.

En los objetos macroscópicos cotidianos, la fricción es independiente de la velocidad de deslizamiento (según la ley de Coulomb) o depende linealmente de ella (por ejemplo, en medios viscosos). Sin embargo, a escala atómica, las cosas son diferentes. En el nuevo trabajo, un equipo dirigido Ernst-Meyer del desplegable Instituto Suizo de Nanociencia y del Departamento de Física de la Universidad de Basilea midió la velocidad a la que un microscopio de fuerza atómica (AFM) se mueve a través de una capa de grafeno (una forma 2D de átomos de carbono dispuestos en una configuración similar a un panal) sobre un sustrato de platino.

Superredes de muaré

En su experimento, del que informan en Nano Letters, Meyer y sus colegas descubrieron que el grafeno forma superestructuras conocidas como superredes de muaré. Estas estructuras ya no son completamente planas y la fricción que producen se escala de varias maneras según el régimen de velocidad.

De acuerdo con simulaciones de dinámica molecular atomística por Oded Hod y miguel urbajLos grupos de investigación de Tel Aviv, el mecanismo detrás del efecto proviene de la deformación en las crestas de la superred moiré cuando la punta del AFM se mueve a lo largo de la interfaz de grafeno/platino. La punta induce una deformación elástica a medida que empuja la cresta, seguida de una relajación de la cresta al separarse de la punta mientras se desliza hacia adelante.

A bajas velocidades de exploración AFM, la fuerza de fricción es pequeña y permanece constante (que recuerda al comportamiento macroscópico), explica Hod. Por encima de un cierto umbral de velocidad, sin embargo, aumenta logarítmicamente. “Este umbral es más bajo cuanto mayor es el tamaño de la superestructura moiré, lo que permite ajustar el valor de cruce a través del ángulo de torsión interfacial”, dice Hod.

“Un mensaje claro para aplicaciones prácticas”

“Nuestros hallazgos brindan un mensaje claro para aplicaciones prácticas”, agrega Urbakh. "Para lograr una fricción ultrabaja utilizando recubrimientos de materiales bidimensionales, deben prepararse de manera que produzcan patrones muaré a pequeña escala".

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Los investigadores dicen que el mecanismo que observaron también puede ser relevante para los materiales policristalinos, en los que están presentes los límites de grano. Planean estudiarlos con más detalle en trabajos futuros. "En este caso, la disipación de energía por fricción está dominada por la contribución de los límites de grano", dice Hod. Mundo de la física. "Tenemos la intención de encontrar formas de eliminar la fricción del límite de grano, por ejemplo, explorando regímenes únicos de coeficiente de fricción negativa, donde la fricción se reduce con cargas normales externas, en contraste con la intuición física común".

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/friction-at-the-microscale-depends-unexpectedly-on-sliding-speed/