La superlubricidad es un régimen de movimiento en el que la fricción desaparece o casi desaparece. No está claro qué es un nivel de fricción "desapareciendo", lo que hace que el término superlubricidad sea bastante vago. Como definición ad hoc , se puede adoptar un coeficiente cinético de fricción menor que 0.01. [1] Esta definición también requiere mayor discusión y aclaración.
La superlubricidad puede ocurrir cuando dos superficies cristalinas se deslizan una sobre la otra en un contacto seco e inconmensurable . Este efecto, también llamado lubricidad estructural , fue sugerido en 1991 y verificado con gran precisión entre dos superficies de grafito en 2004. [2] Los átomos en el grafito están orientados de manera hexagonal y forman un paisaje atómico de colinas y valles, que parece como una caja de huevos. Cuando las dos superficies de grafito están en registro (cada 60 grados), la fuerza de fricción es alta. Cuando las dos superficies se giran fuera de registro, la fricción se reduce en gran medida. Esto es como dos cajas de huevos que pueden deslizarse una sobre la otra más fácilmente cuando están "retorcidas" una con respecto a la otra.
La observación de superlubricidad en estructuras de grafito a microescala se informó en 2012, [3] cortando una mesa de grafito cuadrada de unos pocos micrómetros de ancho y observando la autorretracción de la capa cortada. Estos efectos también se describieron teóricamente [4] para un modelo de capas de grafeno y níquel. Esta observación, que es reproducible incluso en condiciones ambientales, cambia el interés en la superlubricidad de un tema principalmente académico, accesible solo en condiciones altamente idealizadas, a uno con implicaciones prácticas para dispositivos micro y nanomecánicos. [5]
También se puede lograr un estado de fricción ultrabaja cuando una punta afilada se desliza sobre una superficie plana y la carga aplicada está por debajo de un cierto umbral. Tal umbral "superlúbico" depende de la interacción entre la punta y la superficie y la rigidez de los materiales en contacto, como se describe en el modelo de Tomlinson . [6] El umbral puede aumentarse significativamente excitando el sistema deslizante en su frecuencia de resonancia , lo que sugiere una forma práctica de limitar el desgaste en los sistemas nanoelectromecánicos . [7]
También se observó superlubricidad entre una punta de AFM de oro y un sustrato de teflón debido a las fuerzas repulsivas de Van der Waals y la capa unida a hidrógeno formada por glicerol en las superficies de acero. También se demostró que la formación de la capa unida por hidrógeno conduce a una superlubricidad entre las superficies de vidrio de cuarzo lubricadas con líquido biológico obtenido del mucílago de Brasenia schreberi . Otros mecanismos de superlubricidad pueden incluir: [8] (a) Repulsión termodinámica debido a una capa de macromoléculas libres o injertadas entre los cuerpos, de modo que la entropía de la capa intermedia disminuye a pequeñas distancias debido a un confinamiento más fuerte; (b) Repulsión eléctrica debido a voltaje eléctrico externo; (c) Repulsión debido a la doble capa eléctrica; (d) Repulsión por fluctuaciones térmicas. [9]
La similitud del término superlubricidad con términos como superconductividad y superfluidez es engañosa; otros mecanismos de disipación de energía pueden dar lugar a una fuerza de fricción finita (normalmente pequeña). La superlubricidad es más análoga a fenómenos como la superelasticidad , en los que sustancias como el nitinol tienen módulos elásticos muy bajos, pero distintos de cero; sobreenfriamiento , en el que las sustancias permanecen líquidas hasta una temperatura inferior a la normal; super negro , que refleja muy poca luz; magnetorresistencia gigante , en la que se observan efectos de magnetorresistencia muy grandes pero finitos en capas alternas no magnéticas y ferromagnéticas; materiales superduros , que son diamantes o casi tan duros como el diamante; y superlente , que tienen una resolución que, aunque es más fina que el límite de difracción , sigue siendo finita.
Superlubricidad a macroescala
En 2015, " Argonne ", un equipo dirigido por la Dra. Anirudha Sumant, pudo demostrar experimentalmente la superlubricidad a microescala verdadera por primera vez [8]. Las investigaciones experimentales detalladas fueron apoyadas por sofisticados estudios computacionales. Los científicos de Argonne usaron Mira [supercomputadora] simulando hasta 1.2 millones de átomos para ambientes secos y hasta 10 millones de átomos para ambientes húmedos [8] Los investigadores usaron el código LAMMPS (Large-scale Atomic / Molecular Massively Parallel Simulator) para llevar a cabo computacionalmente exigentes simulaciones de dinámica molecular reactiva. Este equipo optimizó LAMMPS y su implementación de ReaxFF agregando subprocesos OpenMP , reemplazando la comunicación MPI punto a punto con colectivos MPI en algoritmos clave y aprovechando MPI I / O. En conjunto, estas mejoras permitieron que el código funcionara dos veces más rápido que antes. "El equipo de investigación del Dr. Sumant ya ha adquirido tres patentes estadounidenses sobre superlubricidad y hay más en proceso, que podrían usarse para aplicaciones en entornos secos, como discos duros de computadoras, engranajes de turbinas eólicas y sellos mecánicos giratorios para microelectromecánicos y nanoelectromecánicos. Se puede encontrar una charla TEDX reciente sobre Superlubricity del Dr. Sumant aquí: https://www.youtube.com/watch?v=ml1Rj6_W3eY
Ver también
Referencias
- ↑ Müser, Martin H. (1 de enero de 2015). "Estudios teóricos de la superlubricidad". En Gnecco, Enrico; Meyer, Ernst (eds.). Fundamentos de la fricción y el desgaste a nanoescala . Nanociencia y tecnología. Springer International Publishing. págs. 209-232. doi : 10.1007 / 978-3-319-10560-4_11 . ISBN 9783319105598.
- ^ Superlubricidad del grafito Martin Dienwiebel, Gertjan S. Verhoeven, Namboodiri Pradeep, Joost WM Frenken, Jennifer A. Heimberg y Henny W. Zandbergen Phys. Rev. Lett. 92 , 126101 (2004) doi : 10.1103 / PhysRevLett.92.126101 [1]
- ^ Observación de superlubricidad en grafito a microescala Ze Liu, Jiarui Yang, Francois Gray, Jefferson Zhe Liu, Yilun Liu, Yibing Wang, Yanlian Yang, Yao Cheng y Quanshui Zheng Phys. Rev. Lett. 108 , 205503 (2012) doi : 10.1103 / PhysRevLett.108.205503
- ^ Superlubricidad a través de multicapas de grafeno entre superficies de Ni (111)
- ^ El súper lubricante de grafito funciona a escala micrométrica Philip Robinson, Chemistry World, 28 de mayo de 2012 [2]
- ^ Transición de Stick-Slip a deslizamiento continuo en fricción atómica: entrando en un nuevo régimen de fricción ultrabaja Anisoara Socoliuc, Enrico Gnecco, Roland Bennewitz y Ernst Meyer Phys. Rev. Lett. 92 , 134301 (2004) doi : 10.1103 / PhysRevLett.92.134301
- ^ Control de fricción a escala atómica mediante la activación de contactos de tamaño nanométrico Anisoara Socoliuc, Enrico Gnecco, Sabine Maier, Oliver Pfeiffer, Alexis Baratoff, Roland Bennewitz y Ernst Meyer Science 313 , 207 (2006) doi : 10.1126 / science.1125874
- ^ Popov, Valentin L. (2020). "Contactos con Trabajo Negativo de" Adhesión "y Superlubricidad" . Fronteras en Ingeniería Mecánica . 5 . doi : 10.3389 / fmech.2019.00073 .
- ^ Zhou, Yunong; Wang, Anle; Müser, Martin H. (2019). "Cómo las fluctuaciones térmicas afectan la repulsión de paredes duras y por lo tanto la mecánica de contacto hertziana" . Fronteras en Ingeniería Mecánica . 5 . doi : 10.3389 / fmech.2019.00067 .
8. Superlubricidad a macroescala habilitada por la formación de nanocrollos de grafeno ; D. Berman, SA Deshmukh, SKRS Sankaranarayanan, A. Erdemir, AV Sumant. Science, 2015; 348 (6239): 1118 DOI: 10.1126 / science.1262024