Si alguna vez ha tenido problemas para mover un mueble pesado, probablemente haya notado que girar el mueble mientras lo empuja hace que las cosas sean más fáciles. Investigadores en Alemania e Italia ahora han investigado este mismo fenómeno en la microescala y, en el proceso, identificaron las condiciones que deberían permitir que los objetos microscópicos giren a través de una superficie cristalina con un par mínimo. Este hallazgo teórico, que el equipo respaldó con experimentos en pequeñas esferas magnéticas, podría ayudar al desarrollo de micro y nano máquinas para aplicaciones en áreas como la robótica y la administración de fármacos.
Para mover un objeto, ya sea grande o pequeño, se debe aplicar una fuerza para superar su fricción de traslación estática con la superficie subyacente. Este es un principio básico de la mecánica, pero la relación entre la fricción de traslación y rotación es compleja, y lo es aún más en pequeñas escalas de longitud donde las superficies de contacto pueden involucrar tan solo unos pocos cientos de átomos. En los dispositivos de tamaño nanométrico, la fricción de traslación es un problema particular debido a que sus altas relaciones de área de superficie a volumen significan que sus superficies se desgastan rápidamente e incluso pueden unirse espontáneamente cuando entran en contacto.
Imitando el área de contacto entre dos superficies atómicamente planas
Para estudiar la relación entre la fricción traslacional estática y la rotación, los miembros de un equipo dirigido por Clemens Bechinger de las Universidad de Constanza, Alemania comenzó haciendo grupos cristalinos de esferas magnéticas del tamaño de una micra. Luego pusieron estas esferas en contacto con una superficie estructurada que contenía pozos espaciados periódicamente como un cartón de huevos. Esta configuración imita el tipo de contacto que ocurre entre dos superficies atómicamente planas, explica Xin Cao, autor principal de un artículo sobre la investigación publicado en Revisión física X.
Luego, los investigadores rotaron los cúmulos usando un campo magnético giratorio, manteniendo alrededor de 10 a 1000 partículas esféricas de cada cúmulo en contacto con la superficie. El par mínimo requerido para hacer que el grupo gire corresponde a la fricción de rotación estática, que los investigadores explican que es similar a la fricción de traslación estática que caracteriza la fuerza mínima requerida para empujar el grupo.
La fricción hace el trabajo pesado en cuerdas e hilos
Una vez que la rotación supera un cierto umbral, los investigadores descubrieron que la fricción estática disminuye drásticamente, produciendo un estado de fricción estática ultrabaja para cúmulos muy grandes. “Este estado de baja fricción permite que los objetos microscópicos se pongan en rotación aplicando una cantidad mínima de torsión y puede ser muy relevante para la fabricación y el funcionamiento de pequeños dispositivos mecánicos, desde la escala atómica hasta la microescala, acercándonos a realizando máquinas más pequeñas y más eficientes”, dice Bechinger.
Una superposición de traslación y rotación.
“Bajo cualquier circunstancia realista, el movimiento de los objetos es una superposición de traslación y rotación”, dice. Mundo de la física. “Para muchas aplicaciones, es importante conocer la resistencia por fricción que acompaña a dicho movimiento porque la fricción consume energía e incluso puede provocar fallas en los dispositivos. A diferencia de la fricción de traslación, se sabe poco sobre la fricción de rotación, pero ahora hemos abordado esta última en nuestro estudio”.
Hasta ahora, los investigadores se han centrado en superficies perfectamente periódicas. “En nuestro trabajo futuro, introduciremos defectos, que también están presentes en muchas circunstancias”, dice Bechinger.
