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Física
Fricción y Adherencia a Nivel
Atómico
26 de
Agosto de 2005.
 El
tamaño altera el modo en que se comportan la fricción y la adherencia.
Conocemos bien cómo actúan en nuestro macromundo, pero ambas cambian
cuando se aplican a cuerpos diminutos, en el nivel atómico.
En efecto, los físicos tienen una idea bastante buena de qué esperar
cuando la fricción y la adherencia se manifiestan en el macromundo.
Usted acciona los frenos, y sus neumáticos y la carretera actúan
recíprocamente para detener el automóvil. Encolamos dos pedazos de
madera, y al mantenerlos juntos, se pegan. ¿Pero cuán resbaladizas o
pegajosas son las cosas demasiado pequeñas para observarlas a simple
vista? Cuando superficies sólidas de no más de mil átomos de extremo a
extremo se ponen en contacto, ¿responden como el caucho y la carretera?
¿o se adhieren como la madera y la cola?
La respuesta resulta ser "depende", según físicos de la Universidad
Johns Hopkins, quienes han usado modelos por ordenador para estudiar
cómo operan la fricción y la adherencia en el nivel atómico.
Cualquier superficie compuesta de átomos individuales tiene "bultos" de
dimensiones atómicas. Variando la ubicación de los átomos en los modelos
informáticos, los autores del estudio han sido capaces de cuantificar la
influencia de la estructura atómica.
Los modelos muestran que las superficies de unos pocos átomos hasta un
millar, con la misma forma pero con estructuras o relieves locales
diferentes, se comportan de forma bastante distinta, aún cuando sean del
mismo material. Las tensiones locales y las fuerzas de adherencia pueden
variar en un factor de dos o más, y la fricción puede multiplicarse por
diez.
Todos sabemos que la materia está compuesta por átomos diferenciados,
aunque todavía la mayoría de los modelos del comportamiento mecánico
ignoran esto, y se tiende a imaginar a los átomos distribuidos de manera
homogénea formando una textura del todo lisa en la superficie. Este
enfoque funciona bien al describir la conducta de máquinas grandes, pero
¿qué sucede cuando la máquina entera mide menos de mil átomos? La
respuesta es crucial para el funcionamiento de las nanomáquinas
artificiales y para muchos procesos biológicos.
Los investigadores examinaron el contacto entre superficies sólidas con
abultamientos cuyos radios variaban aproximadamente entre 100 y 1.000
diámetros atómicos. Los abultamientos de esas dimensiones pueden ser
típicos de las superficies de las nanomáquinas o de las puntas de los
microscopios de fuerza atómica, usados para medir las propiedades
mecánicas a escala atómica.
Usando las simulaciones informáticas, el equipo siguió los
desplazamientos de 10 millones de átomos cuando las superficies sólidas
que constituían entraron en contacto. Entonces compararon estos
desplazamientos y las fuerzas de adherencia y de fricción totales, con
los cálculos de las mismas fuerzas usando la teoría tradicional que ve
la materia como formada por capas lisas de átomos uniformemente
distribuidos, más que como un "terreno accidentado" de átomos
diferenciados.
Conociendo la estructura atómica exacta y cómo se mueve cada átomo, los
investigadores fueron capaces de poner a prueba las dos suposiciones más
importantes de la teoría de los átomos continuos. Si bien ésta describe
acertadamente el comportamiento interno de los sólidos casi a escala
atómica, su presunción de que las superficies son llanas y no poseen
relieves distintivos de importancia, falla cuando las dimensiones de los
sólidos se acercan a la escala atómica.
Información adicional en:
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