Fenómenos de fricción en la nanoescala: Estudio teórico y computacional

Abstract

Con el creciente interés en la nanotecnoogía, existe la necesidad cada vez más importante de entender los efectos derivados de fuerzas superficiales tales como la fuerza de fricción. Estas fuerzas son especialmente importantes cuando la razón volumen-superficie es grande. Es en este ámbito en el que estudios de fricción a escala atómica o nanotribología cobran mayor importancia. Así, investigaciones fundamentales en esta área buscan una mejor comprensión de dichos fenómenos y eventualmente permitirán el desarrollo de dispositivos mecánicos de bajo consumo de energía y alta durabilidad, además de posibles mecanismos de control de la fricción. En esta tesis doctoral se aborda el estudio teórico y computacional de fenómenos de fricción en la escala nanométrica. Esta memoria está dividida en siete capítulos que presentan los principales resultados de nuestra investigación sobre fricción en superficies imperfectas, fenómenos de activación térmica en fricción y posibles mecanismos de modificación de la fricción a escala atómica. Nuestro sistema prototipo es el sistema más simple posible pero con las características básicas que permiten investigar el fenómeno de fricción a escala nanométrica. Consiste de una única punta o contacto que es presionada con una fuerza dada y arrastrada literalmente por un soporte móvil sobre la superficie de una muestra. Actuando de esta manera, se evitan complicaciones innecesarias y centramos nuestro esfuerzo en entender los mecanismos básicos de la fricción. Se estudian las curvas fundamentales del sistema, fuerza de fricción con la velocidad del soporte y con la temperatura, para sistemas ideales (superficies perfectamente periódicas) como un primer paso. Entonces, nos enfocamos en como la presencia de imperfecciones superficiales como las encontradas sobre un perfil de una superficie cuasi periódica o la presencia de defectos superficiales, modeladas como imperfecciones en el potencial de sustrato, afectan dichas curvas fundamentales. Se pone atención especial en como los efectos combinados de temperatura y cada una de estas imperfecciones modifican la fricción a escala atómica. Unido a esto, en esta memoria se investigan los dos principales mecanismos de actuación ac de tipo mecánico reportados en la literatura para suprimir las inestabilidades mecánicas que producen la disipación de energía. En particular, la investigación está centrada en la búsqueda de una forma de cuantificar los efectos derivados de la actuación ac sobre el sistema. De esta manera, el efecto de la actuación sobre la curva de fricción puede medirse a través de un par de parámetros, algo que resulta muy útil a la hora de aplicar estos métodos de control. Por otro lado, efectos que provienen del movimiento de la punta en dos dimensiones pueden afectar de manera importante la fricción. Se investiga específicamente el comportamiento de la fuerza de fricción con la dirección de movimiento del soporte y como los efectos térmicos modifican dichos comportamientos. Para finalizar, se presenta un estudio detallado de los posibles efectos de barrera finita en fenómenos de activación térmica y se hace una revisión crítica de las diferentes teorías disponibles. Se presenta una expresión adecuada para la tasa de escape térmico para los regímenes de amortiguamiento moderado-alto y alto. Además, se discuten los principales resultados en el marco general de fenómenos de espectroscopia de fuerza y en fenómenos de fricción.