Fricción: lo que desea de los frenos de los automóviles, de lo contrario es una molestia. En cualquier caso, es útil saber con la mayor precisión posible cómo surgen los fenómenos de fricción, y no solo en la escala macroscópica como en ingeniería mecánica, sinotambién a escala microscópica es decir, en áreas como la biología y la nanotecnología. Anteriormente era difícil estudiar la fricción donde todo es tan pequeño como un átomo y, además, prevalecen los efectos no lineales. Científicos del Instituto QUEST en elPhysikalisch-Technische Bundesanstalt PTB ha presentado un sistema modelo que permite la investigación de efectos de fricción a escala atómica y dinámicas de fricción similares a las que tienen lugar, por ejemplo, en proteínas, cadenas de ADN y otros nanocontactos deformables. Este sistema modelo consistede iones refrigerados por láser, que se organizan en los denominados cristales de Coulomb. Con ellos, los investigadores han llevado a cabo experimentos y simulaciones numéricas y han obtenido nuevos hallazgos fundamentales en vieProcesos de cationes en sistemas atómicos.Ahora han presentado sus resultados en la revista científica " Comunicaciones de la naturaleza . "Casi ningún otro fenómeno físico es tan importante en la naturaleza y nuestro entorno tecnológico como lo son los fenómenos de fricción: sin fricción estática, incluso nuestra vida cotidiana no funcionaría. La fricción estática garantiza que las cosas no se nos escapen de las manos cuandoagarrarlos y que podamos estar firmes en el suelo. Sin fricción, sería imposible poner un vehículo en movimiento ya que las ruedas simplemente girarían. Estos son aspectos positivos de la fricción, pero también hay aspectos negativos: sin fricción, hayno habrá grietas debido a terremotos, las piezas de la máquina no se desgastarán, etc.
La mayoría de los objetos macroscópicos tienen una textura rugosa desde un punto de vista atómico. Incluso si se sienten suaves al tacto, exhiben asperezas. Estrictamente hablando, dos objetos nunca se encuentran directamente uno encima del otro, sino que solo se tocan entre sí en estas asperezas.La estructura de la red atómica, por lo tanto, no juega ningún papel en esta interacción. Esto es muy diferente para los objetos en la escala atómica, como las nanomáquinas o biomoléculas. "Aquí, las superficies atómicamente lisas se tocan entre sí.en cuenta en los cálculos del modelo ", explica la física de PTB Tanja E. Mehlstäubler." Estos modelos también explican fenómenos fascinantes como la superlubricidad, donde la fricción estática se vuelve casi inexistente. Ocurre cuando dos superficies cristalinas son inconmensurables entre sí. Esto significa quela relación de los espacios de celosía de las superficies deslizantes es irracional. Esto lleva a que no exista un lugar donde las dos superficies coincidan exactamente entre sí ".
Por lo tanto, existen suficientes razones para medir con precisión la fricción a nanoescala e investigar su dinámica. Cuando se trata de medir la fricción, ya existe un instrumento poderoso, a saber, el microscopio de fuerza de fricción. El segundo punto es más complejo: "Acceso experimental directoLa dinámica de un sistema de fricción es casi imposible. Por lo tanto, los sistemas modelo en los que los átomos se controlan fácilmente, tanto temporal como espacialmente, son indispensables. Esto nos permite investigarlos ", explica Mehlstäubler. Tal sistema ha sido presentadopor los científicos de PTB, junto con sus socios de Sydney: los iones de iterbio mantenidos en una trampa de iones se enfrían por medio de láser hasta tal punto hasta unos pocos milikelvins que forman un cristal que consta de dos cadenas.a sí mismos de tal manera que el vecino más cercano esté siempre lo más lejos posible. Esta estructura se llama zigzag.
Dos de estas cadenas iónicas son una representación muy precisa de los dos socios de un proceso de fricción, y son fáciles de observar con mucha precisión: cuando los iones de iterbio se irradian con luz cuya frecuencia está cerca de su frecuencia de resonancia, comienzan a fluorescer"De este modo, podemos observar las partículas atómicas individuales en su movimiento a través de nuestra óptica de imagen", agrega Jan Kiethe, físico de PTB y autor principal del estudio. Una transición entre dos fases diferentes, que fue causada por la presenciase ha observado y analizado aquí un defecto de la red estructural. En uno de los regímenes, la fricción estática es el actor principal en la dinámica del transporte; en el otro régimen, es la fricción deslizante.
La dinámica de las cadenas iónicas es comparable a la de las cadenas de moléculas como las que se producen en el ADN. Con su trabajo publicado ahora, los científicos han creado un sistema de modelo físico que permitirá investigar la dinámica compleja de la fricción en 1D, Sistemas 2D y 3D con precisión atómica. Además, este sistema modelo ha allanado el camino para la investigación de fenómenos de transporte en el régimen cuántico.
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Materiales proporcionado por Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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