Gran sorpresa nanotribológica: La relación entre fuerza de fricción y área de contacto es lineal en la nanoescala

Por Francisco R. Villatoro, el 1 marzo, 2009. Categoría(s): Ciencia • Física • Mecánica • Nanotecnología • Physics • Science ✎ 1

dibujo20090228contactbetweenamorphouscarbontipanddiamondsurfaceLa tribología es la ciencia de la fricción, el desgaste y la lubricación en el contacto entre superficies. A escala macroscópica se cumple la Ley del francés Guillaume de Amontons, formulada en 1699: la fuerza de fricción entre dos cuerpos es linealmente proporcional a la carga aplicada e independiente del área de contacto. Esta ley deja de ser válida en la microescala, pero qué pasa en la nanoescala (a escala atómica). La mayoría de los nanotribólogos pensaban que tampoco era cierta. La sorpresa la han dado investigadores de la Universidad de Wisconsin, en Madison, EEUU, quienes han demostrado mediante simulaciones por ordenador de dinámica molecular a gran escala que dicha ley también se cumple en la nanoescala. La fuerza de fricción depende linealmente del número de átomos que interactúan químicamente en el contacto entre ambas superficies. Si se define el área de contacto como proporcional a este número de átomos, la ley de Amontons se cumple con sorprendente exactitud. Conforme el área de contacto se reduce de la microescala a la nanoescala se produce una transición entre una dependencia no lineal a una estrictamente lineal entre la fuerza de fricción y la carga. El artículo técnico es Yifei Mo, Kevin T. Turner, Izabela Szlufarska, “Friction laws at the nanoscale,” Nature 457: 1116-1119, 26 February 2009 .

En la figura vemos un ejemplo de las simulaciones realizadas. Un contacto en forma de punta (redondeada) de carbono amorfo se desliza por la superficie (plana) de un cristal de diamante. Los átomos dorados son carbonos (C) y los rojos hidrógeno (H). En ambos materiales estos átomos están unidos por enlaces covalentes. Los enlaces rosados en la figura central corresponden a fuerzas repulsivas. El área de contacto “efectiva” (abajo) para que se cumpla la ley de Amontons se define como la suma del área “efectiva” (hexágonos grises) de cada átomo activo (círculos rojos) durante el contacto.

La mecánica de los medios continuos se aplica a las leyes de la fricción a nivel macroscópico gracias al concepto de rugosidad superficial. La mecánica continua no se puede aplicar en el mundo nanoscópico, dominado por las interacciones átomo a átomo. Sin embargo, la nueva definición del concepto de área de contacto “efectiva” o “instantánea” permite seguir utilizando la teoría de la rugosidad para medios continuos con completo éxito. Basta utilizar el concepto de “aspereza”, introducido originalmente por Hertz para modelar el contacto no adhesivo entre dos superficies homogéneas e isótropas formadas por esferas elásticas.

Más sobre nanotribología en español: “Proyecto TRIBO: La tribología entra en la era nanotecnológica,” Revista de la investigación europea, N° 39 – Noviembre 2003 . “Esta disciplina científica y tecnológica (que estudia la resistencia de los materiales a los frotamientos y al desgaste en cualquier sistema mecánico), poco conocida por los no especialistas, constituye un canal para la entrada de las nanotecnologías en la industria.”

Jacqueline Krim, “Rozamiento a escala atómica,” Investigación y Ciencia: 243 – diciemb re 1996 . “La nanotribología, el estudio del origen atómico del rozamiento, que los físicos habían venido ignorando, indica que esa fuerza nace de fuentes inesperadas, la energía del sonido entre ellas. (…) De acuerdo con las estimaciones, si se les prestase mayor atención al rozamiento y el desgaste los países desarrollados se ahorrarían hasta el 1,6 por ciento de sus productos nacionales brutos, nada menos que 116.000 millones de dólares en los Estados Unidos, sólo en 1995.”



1 Comentario

  1. Excelente artículo, los apasionados en la tribologia buscamos dia a dia como disminuir desgaste en la industria para optimizar los activos y respetar nuestro medio ambiente…Espero que puedan brindar mayor información a cerca de nanotribologia.

Deja un comentario