Superlubrícate

Oler esto me sigue transportando a la infancia. Sí, tuve una infancia rara.

Hoy nos vamos a dedicar a los lubricantes.  Pero no unos lubricantes cualquiera, vamos a por los superlubricantes.

La lucha contra el rozamiento ha sido la guerra silenciosa que ha mantenido la humanidad durante siglos para optimizar procedimientos mecánicos.  El rozamiento supone una pérdida de energía y por tanto de eficiencia en cualquier proceso que involucre el movimiento de una superficie contra otra.

Aquí vamos a tratar de explicar qué es eso de la superlubricación, su origen y el interés que tiene desde el punto de vista fundamental y tecnológico. Para ello nos tendremos que parar a describir el rozamiento de forma microscópica y definir que entendemos por lubrificar y, sobre todo, qué entendemos por superlubricantes.

La historia no es nueva:

Y tenemos toda una rama de estudio sobre la lubricación y el rozamiento, la tribología.

El maldito rozamiento

Si has pasado por el instituto te habrá cansado de hacer ejercicios de este tipo:

Donde aparece una fuerza que se opone al movimiento de un cuerpo sobre otro, la fuerza de rozamiento. El interés por reducir los rozamientos es evidente, en la fricción entre dos superficies se da un proceso de disipación de energía.  Hay muchas formas en las que dicha energía que invertimos en mover el cuerpo sobre la superficie se disipa, las principales son:

1. Se genera calor.  Y el calor es una forma de energía poco útil que tiene poca eficiencia a la hora de convertirse en un trabajo útil.
2. Se genera sonido, bastante desagradable para mi gusto, porque al deslizar una superficie contra otra se producen vibraciones de las mismas que percibimos como sonidos.

El rozamiento nos rodea, no es que siempre sea malo, por ejemplo es lo que nos permite andar sobre el suelo sin irnos de morros contra él. Pero también hace que perdamos energía útil de forma tonta en motores y maquinarias complejas. Reducir el rozamiento tiene interés tanto desde el punto de vista de la física fundamental como desde el punto de vista económico.

El rozamiento a diferentes escalas

El rozamiento no es eliminable al completo.  Los materiales están hechos de átomos que a pesar de ser neutros en esencia pueden presentar distintas distribuciones de carga.  Eso ocasiona que las superficies se pueden atraer o repeler de forma débil y eso, en última instancia, es el origen del rozamiento macroscópico que percibimos.

En una escala media podemos modelizar este rozamiento como rugosidades microscópicas que se van enganchando a la hora de mover una superficie contra otra.  Eso es lo que dificulta el movimiento y genera la disipación de energía.

Rozamiento entre una rueda (tie) y la carretera (road).

Si te rozas, lubrica

Lubricar no es más que interponer alguna sustancia sobre dos superficies de forma que las interacciones electromagnéticas débiles entre las mismas se reduzcan lo máximo posible.  Desde el punto de vista intermedio, los lubricantes rellenan los huecos de la superficie permitiendo un deslizamiento más suave con lo que reducimos la producción de calor y sonido.

O mejor, superlubrica

Antes de empezar a hablar de superlubricación hay que decir lo que no es la superlubricación.

• La superlubricación no reduce la fricción a cero entre dos materiales. No se pueden eliminar todas las fuentes de disipación de energía.
• La superlubricación no consiste en echar una sustancia lubricante a dos superficies secas. Es más una relación entre las superficies en las que se reduce mucho las interacciones entre ellas aunque no las elimina totalmente.

Superlubricación, el origen

El origen del concepto de superlubricación se puede ubicar en la década de los 80 del pasado siglo con la decisiva participación de Motohisa Hirano.

En los trabajos de este señor y sus colaboradores se ocuparon de definir el estado en el que la fricción entre dos superficies aparecía.  La mejor forma de determinar cuando la fricción es nula o muy reducida es la de identificar en qué estado aparece de forma apreciable.

La superlubricación es un estado entre dos superficies, vistas desde la escala atómica, límpias y secas.  Es decir, los únicos actores en juego son las superficies.  Y la conclusión es simplemente maravillosa y maravillosamente simple.

Si nos restringimos a sólidos sabemos que estos se organizan en estructuras cristalinas en las que los átomos conforman la red cristalina con los núcleos en los vértices de la misma.  Cuando ponemos en contacto dos superficies sólidas pueden ocurrir estas cosas:

1. Que las redes cristalinas tengan una disposición y periodicidad en las que una encaje en la otra, en términos técnicos se dice que son conmensurables.  En esta disposición las atracciones atómicas son muy fuertes.
2. Que las redes cristalinas tengan una disposición y periodicidad en las que una no pueda encajar en la otra, lo que en términos técnico se dice que son inconmensurables.  En esta disposición las atracciones atómicas entre átomos de las dos superficies son prácticamente despreciables.

Ejemplo pedestre de superficies con estructuras cristalinas conmensurables.

Modelo pedestre de superficies de estructuras cristalinas inconmensurables.

Desde un punto de vista técnico estas propiedades de conmensurabilidad e inconmensurabilidad solo tienen sentido para la idealización de superficies de extensión infinita. Pero lo ideal está hecho para forzarlo a ser real.  Así que trabajando con dos superficies conmensurables basta hacer un giro relativo para conseguir emular la inconmensurabilidad.

Resulta por tanto que si tenemos dos superficies en contacto en una disposición inconmensurable la atracción entre ambas es casi nula y por tanto la fricción es casi despreciable.  Por desgracia hay otros efectos como vibraciones, que generan sonidos, y deformaciones plásticas de las superficies que no pueden ser eliminadas y dejan un pequeño rastro de fricción entre ellas.

Y como no… el grafeno

La idea teórica está muy bonita pero hay que comprobarla en un laboratorio.  Ahora tenemos una superficie monoatómica ideal para hacer este tipo de cosas con las superficies, el grafeno.  El grafeno es una hoja de un átomo de espesor de átomos de carbonos dispuestos en forma hexagonal.

Quien dice grafeno, dice grafito, ya que el grafito no es más que un apilamiento de láminas de grafeno.

Diagrama experimental de dos láminas de grafeno. En (a) la disposición es conmensurable, en (b) tenemos la vista desde arriba. En (c) la disposición es inconmensurable y (d) tenemos la vista desde arriba.

Evidentemente todos estos estudios tienen una gran influencia en el diseño de máquinas nanométricas.  Este es un campo en el que físicos, químicos e ingenieros tienen mucho que decir aún.

Referencias

La referencia por excelencia en este campo es el libro:

Superlubricity

Ahí encontraréis discusiones desde los aspectos más teóricos a los más prácticos de este tema de la mano de los padres y especialistas del campo.

Para saber por donde van los tiros experimentales en superlubrificación:

Friction:  Special Issue on Superlubricity

Nos seguimos leyendo…