Investigan el fenómeno del rozamiento a escala atómica

Científicos brasileños calculan el efecto de las vibraciones que se propagan en las redes cristalinas de los materiales durante la fricción

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El rozamiento es un fenómeno prácticamente omnipresente en la vida cotidiana. La acción de caminar sólo es posible debido a la fricción que se ejerce entre los pies (o los calzados) y el suelo; el sentido del tacto depende del rozamiento entre las manos (o las demás partes del cuerpo) y los objetos, y también podrían evocarse muchos otros ejemplos. El estudio macroscópico del rozamiento se remonta a Leonardo da Vinci (1452-1519). El polivalente genio renacentista estableció la “ley natural” que, en el lenguaje matemático contemporáneo, puede describirse del siguiente modo: F = μ.N, donde F es la fuerza de rozamiento existente entre dos superficies que se deslizan entre sí, μ es el llamado coeficiente de rozamiento y N es la fuerza normal entre las referidas superficies.

En la década de 1980 se creó un instrumento que hizo posible investigar y medir el rozamiento a escala atómica: el microscopio de fuerza atómica (atomic force microscope – AFM). Mediante una punta de diamante, capaz de aplicar una presión extremadamente baja sobre la superficie que ha de estudiarse, el AFM permite rastrear en profundidad la estructura de dicha superficie. Otro instrumento que permitió efectuar mediciones a escalas mesoscópicas y nanoscópicas fue el nanoindentador. Este dispositivo dispone de una punta de diamante que puede deslizarse sobre el sustrato que se estudiará, con la presión aplicada y la velocidad de desplazamiento controladas mediante instrumentos eléctricos y magnéticos, y con la fuerza tangencial registrada en forma continua debido a la fricción.

Mediante el empleo de este último artefacto, un grupo de investigadores de tres universidades brasileñas (la Universidad de Caxias do Sul – UCS, la Universidad de Campinas – Unicamp, y la Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro – PUC-RJ), ha determinado ahora la participación de la disipación fónica –esto es, la disipación producto de las vibraciones que se propagan por la red cristalina de un material– en el fenómeno del rozamiento. Y dicho estudio resultó en el artículo intitulado “On the phonon dissipation contribution to nanoscale friction by direct contact”, publicado en la revista Scientific Reports, del grupo Springer Nature.

La iniciativa de esta investigación partió de Carlos Alejandro Figueroa, de la Universidad de Caxias do Sul –que dispone de los equipos adecuados–, quien a su vez convocó a sus colegas Fernando Alvarez, de la Unicamp, director de la tesis doctoral y supervisor de la investigación de posdoctorado de Figueroa, y Fernando Lázaro Freire Jr., de la PUC-RJ, ambos expertos en la fabricación de películas finas de carbono y en su posterior caracterización fisicoquímica.

Este esfuerzo contó con el apoyo de la FAPESP en el marco del Proyecto Temático intitulado “Investigación y desarrollo de materiales nanoestructurados para aplicaciones electrónicas y de física de superficies”, coordinado por Fernando Alvarez.

“Cuando se baja al nivel atómico, es necesario tener en cuenta cuáles son las fuerzas eléctricas, magnéticas y de contacto existentes entre los átomos. Pero existe también otro mecanismo importante de disipación de la energía, que está constituido por los fonones. El deslizamiento de una superficie sobre la otra produce vibraciones en las moléculas que componen los materiales. Y a esas vibraciones, que pueden propagarse por las estructuras cristalinas, las denominamos ‘fonones’. Éste fue el fenómeno específico en el que nos enfocamos en nuestro estudio”, declaró Alvarez a Agência FAPESP.

Un fonón es una excitación mecánica que se propaga por la red cristalina de un sólido. En física clásica puede describírselo como una onda elástica. Pero si se tiene en cuenta que este fenómeno sucede a escala atómica, se hace necesario valerse de la física cuántica. Y en tal caso, debe pensarse al fonón como un cuanto de energía que viaja por la mentada red.

“Nuestro primer desafío consistió en aislar ese factor con relación a otros que ocurren a esa misma escala –es decir, con respecto a las interacciones eléctricas, magnéticas y de contacto–, para determinar su contribución específica al fenómeno del rozamiento. Pensamos entonces en comparar materiales que exhibieran las mismas propiedades eléctricas y magnéticas y de contacto, y que se diferenciasen únicamente por sus propiedades fónicas”, afirmó el investigador.

A tal fin, los estudiosos depositaron sobre un sustrato de silicio cristalino una capa de espesor nanométrico de carbono amorfo similar al diamante (DLC, siglas derivadas de la expresión en inglés diamond-like amorphous carbono). Se trata de un material extremadamente duro, bastante inerte y con bajo coeficiente de rozamiento, que ya venía utilizándose como película protectora en mecanismos macroscópicos y nanoscópicos, especialmente en engranajes de motores de alta eficiencia, como los de la Fórmula Uno. La gran novedad consistió en que reemplazaron parcial o totalmente los hidrógenos del DLC por deuterio.

Como es sabido, el hidrógeno está compuesto por un solo protón (en el núcleo) y un electrón (en la capa que lo envuelve). El deuterio es un isótopo del hidrógeno que además del protón tiene también un neutrón en su núcleo. De este modo, el deuterio es idéntico al hidrógeno común desde el punto de vista químico, pues las propiedades químicas dependen únicamente de la cubierta electrónica, que es igual para ambos isótopos. También es idéntico desde el punto de vista eléctrico y magnético, pues esas propiedades dependen de la carga. Pero posee aproximadamente el doble de masa, debido al agregado del neutrón.

“Como tiene el doble de masa, al estar unido a un átomo pesado como el de carbono, cuando el deuterio recibe un impulso, vibra con una frecuencia menor que el hidrógeno. Más precisamente: las frecuencias de vibración de los dos isótopos son inversamente proporcionales a la raíz cuadrada de las respectivas masas”, informaron los coordinadores del estudio.

Con un nanoindentador, los científicos calcularon la fuerza necesaria para arrastrar la punta de diamante del aparato sobre capas de carbono amorfo análogo al diamante (DLC) con distintas composiciones atómicas: sólo carbono e hidrógeno (C-H), carbono e hidrógeno (C-H) y carbono y deuterio (C-D), y sólo carbono y deuterio (C-D). “Comprobamos que la fuerza de fricción decrece claramente a medida que crece el porcentaje de deuterio presente en la composición. Y el único factor responsable de esta merma de la fuerza es el aumento de masa; por ende, la disminución de la frecuencia vibratoria del material”, explicaron.

Con este experimento, de concepción sencilla, pero de ejecución sofisticada, los estudiosos lograron aislar las interacciones fonónicas de las interacciones eléctricas, magnéticas y de contacto. Y calcular el aporte específico de las interacciones fónicas al fenómeno del rozamiento. “Realizamos un ajuste teórico de los modelos posibles de excitaciones de fonones, y los resultados obtenidos convergieron con la distribución aleatoria de átomos de deuterio en una matriz de carbono amorfo”, comentó Alvarez.

Este experimento sugiere una aplicación tecnológica obvia: la introducción de deuterio en la aleación para mejorar las propiedades del DLC, como recubrimiento capaz de disminuir el desgaste de piezas y el aumento de la eficiencia de mecanismos deslizantes. El problema reside en su costo.

El deuterio existe en la naturaleza, fundamentalmente en las moléculas de agua pesada, formadas por un átomo de oxígeno y dos átomos de deuterio (D₂O). Y puede hallarse agua pesada en los lagos de montañas, entre otros lugares. Debido a su capacidad de frenar la velocidad de los neutrones, se la utiliza como sustancia moderadora en algunos tipos de reactores nucleares. Y también se la emplea en tanques subterráneos destinados a la captura de neutrinos. Pero la cantidad disponible es extremadamente baja: el agua común contiene poco más de 150 átomos de deuterio por millón de átomos de hidrógeno. De allí el hecho de que su costo se erija en un factor de limitación para el empleo de este material a gran escala.

“Con todo, si pensamos en dispositivos nanométricos que requieren una cantidad mínima de material, no debe descartarse el uso de deuterio en películas protectoras”, ponderó Alvarez. “Asimismo, existen ideas alternativas: la introducción de otros elementos, que podrían disminuir el rozamiento del sistema a costos razonables siguiendo el mismo principio, por ejemplo", añadió.

El fenómeno del rozamiento remite inmediatamente a la disipación de energía en forma de calor, o mejor dicho, a la conversión de energía mecánica en energía térmica. Un ejemplo trivial de esto es el hábito de frotarse las manos cuando hace frío. Las manos se calientan debido al rozamiento recíproco: la energía mecánica de la fricción se transforma en energía térmica. Y esta transformación, en talo caso, resulta sumamente positiva. Por otra parte, cuando se trata de máquinas, motores, etc., la disipación de energía en forma de calor redunda en una pérdida de eficiencia. Es la otra cara de la moneda. “En estudios realizados en Estados Unidos, se ha estimado que las pérdidas económicas causadas por la disipación de energía ocasionada por el rozamiento ascienden en ese país a los 200 mil millones de dólares anuales. De allí el interés en ir más allá de los lubricantes. Y el deuterio apunta un nuevo horizonte tecnológico”, subrayó el investigador.

Además de los tres coordinadores, participaron en esta investigación Saron Sales de Mello (UCS), Marcelo Maia da Costa (PUC-RJ), Caren Machado Menezes (UCS) y Carla Daniela Boeira (UCS).