NeoFronteras

Logran confirmar el modelo de fricción de Frenkel–Kontorova a escala atómica usando iones de iterbio y una trampa óptica.

La fricción nos rodea en la vida cotidiana, sea en los frenos de disco de nuestra bicicleta o en la cuchilla de un patín para patinaje sobre hielo. La experimentamos todos lo días, sin ella ni siquiera podríamos andar, pues no podríamos transferir momento al suelo.
Medimos esta resistencia por un coeficiente que depende de la naturaleza de las dos superficies y de lo rugosas que sean.
Pero cuando nos vamos a escala de lo muy pequeño los átomos empiezan a tener importancia. Esto es esencial para las nanomáquinas, pues a esas escalas la fricción puede ser tan fuerte que impida que funcionen los mecanismos o, por el contrario, tan débil que casi desaparezca por completo. Por esta razón investigar en este asunto es importante.
En el segundo caso, cuando la fricción casi desaparece, tenemos el fenómeno de la superlubricidad, de tal modo que dos objetos se deslizan uno sobre el otro sin casi resistencia alguna. Pero la superlubricidad no se entiende muy bien a estas escalas. Si de algún modo pudiéramos predecir cuándo sucede, entonces podríamos fabricar micromecanismos que casi no consuman energía.
Según el modelo de Frenkel–Kontorova sobre superlubricidad (sugerido hace ya 75 años), cuando la separación entre los átomos de la red cristalina de cada una de las dos superficies en contacto son muy parecidas, o exactamente iguales si se trata del mismo material, todos los átomos de una de la superficie tienden a caer en las separaciones de los átomos de la otra superficie y viceversa. Como resultado se produce un atoramiento que resulta en una fricción muy elevada, pues, cuando se consigue vencer ese obstáculo todos los átomos vuelven a caer otra vez en los huecos y así sucesivamente. Sin embargo, cuando la separación entre los átomos de la red cristalina de las dos superficies es muy distinta entonces puede algún átomo de uno de los materiales caiga en los huecos de la otra superficie, pero no opondrán tanta resistencia al avance.
Naturalmente, para poder comprobar este modelo uno puede intentar frotar dos superficies conocidas entre sí para las que se conoce la separación entre átomos, pero entonces no es posible medir directamente las fuerzas que actúan sobre átomos individuales y la energía que cada uno disipa.
Para poder investigar mejor este asunto Alexei Bylinskii, Dorian Gangloff y Vladan Vuletić (MIT) han diseñado un elegante experimento en el que han conseguido rebajar la fricción en un factor de 100. El montaje fue sugerido en 2011 por el físico teórico Erio Tosatti (Escuela internacional de estudios avanzados en Trieste).

Estos investigadores del MIT se dedicaron a estudiar qué pasaba cuando una cadena de seis iones equiespaciados de iterbio se movían al unísono sobre una red óptica unidimensional creada con dos láseres. Esta red proporcionaba unos valles y montículos equiespaciados. El experimento se realizó a 49 microkelvins de temperatura para minimizar el efecto de la temperatura.
En un principio los iones estaban separados seis micras (6000 nm), mientras que la longitud de onda de la luz empleada era de 185 nm, lo que determinaba la distancia fija entre valles.
Básicamente se trataba de simular una de las superficies en fricción con la línea de iones y la otra con la trampa óptica.
Cuando la distancia entre los iones y la distancia entre los valles de la trampa eran equivalentes, los investigadores pudieron ver que la fricción era elevada. Pero pudieron reducir la fricción por un factor 100 variando adecuadamente la separación entre iones.
Cuando se hacía deslizar la fila de iones a lo largo de la trampa óptica mediante la aplicación de un campo eléctrico veían cómo los iones emitían luz ultravioleta (UV) al pasar por los valles. Luz que podían ver con un microscopio.
Mediante la observación de esta emisión UV pudieron comprobar que en el caso de máxima fricción todos los iones caían a la vez en los valles, mientras que no era así en caso contrario. Esto confirma las predicciones del modelo de Frenkel–Kontorova.
Asimismo, comprobaron el gran efecto que tiene la temperatura sobre el fenómeno. Esta introduce un movimiento o vibración térmica sobre los átomos de las redes cristalinas. Incluso a 48 microkelvins el efecto se hace notar.
Además de su posible aplicación en nanomecánica, en donde se podrían ajustar a voluntad la fricción, este trabajo podría proporcionar pistas sobre cómo funcionan los motores moleculares de las células vivas, sistemas que hacen un uso adecuado de la fricción, estando en mayor o menor medida según las necesidades.

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Fuentes y referencias:
Artículo original
Ilustración: Christine Daniloff/MIT.