¿Por qué se desprende calor al frotar dos objetos? Desentrañando el misterio de la fricción dinámica a nivel atómico

La fricción, un fenómeno cotidiano, ha intrigado a los científicos durante siglos. Aunque ampliamente investigado, nuestra comprensión sigue incompleta, principalmente debido a las múltiples interacciones a diferentes escalas. Lograr una comprensión precisa de las condiciones exactas de contacto entre los objetos ha sido un desafío en mucho tiempo, una hazaña que recientemente se ha hecho posible gracias a los avances en la microscopía de sonda de barrido.

Sin embargo, incluso con estos avances tecnológicos, las complejidades de la fricción dinámica –la fuerza necesaria para mantener el movimiento de una molécula– han permanecido esquivas. Aunque los científicos podrían medir la fricción estática moviendo una sola molécula en una superficie, aún no se ha descubierto completamente la medición y la comprensión teórica de la fricción dinámica.

Ahora, un equipo colaborativo de la Universidad de Kanazawa (Japón), la Universidad de Regensburg (Alemania) y el DIPC han publicado su innovador estudio en las revistas Physical Review Letters y Physical Review B. Examinaron meticulosamente la manipulación de una molécula de monóxido de carbono (CO) en la superficie de un monocristal de cobre utilizando un microscopio de fuerza atómica.

Apoyados en cálculos de ab initio, sus hallazgos arrojan luz sobre cómo la molécula de CO se posiciona en relación con la punta y superficie del microscopio, y la relación entre el movimiento de la molécula inducida por la punta, la disipación de energía y la fricción estática y dinámica.

“Este viaje a las complejidades atómicas de la fricción ha sido desafiante y esclarecedor. Nuestro descubrimiento de un estado intermedio inesperado cambia nuestra comprensión fundamental. Imaginen una superficie no tan plana a escala atómica, sino más bien como una mesa de billar donde las bolas están muy empaquetadas juntas. Normalmente, la molécula se sienta cómodamente sobre una sola bola. Pero al cruzar esta "mesa", en lugar de saltar directamente de una pelota a la siguiente, descubrimos que la molécula a veces toma un desvío sorprendente, posicionándose momentáneamente entre dos bolas. Esta inesperada 'parada' desafía nuestra comprensión anterior de cómo se mueve la molécula y proporciona información crucial sobre la mecánica detallada de la fricción". explica el Prof. Frederiksen.

Esta investigación destaca por su claridad inequívoca en el proceso de fricción. No sólo proporciona nuevas perspectivas sobre un fenómeno estudiado desde hace tiempo, sino que también allana el camino para futuros estudios sobre los procesos de relajación de la disipación de energía.

Ambos artículos fueron publicados simultáneamente el 2 de octubre de 2023:

Dynamic Friction Unraveled by Observing an Unexpected Intermediate State in Controlled Molecular Manipulation. Norio Okabayashi, Thomas Frederiksen, Alexander Liebig, and Franz J. Giessibl
Phys. Rev. Lett. 131 (2023)

Energy dissipation of a carbon monoxide molecule manipulated using a metallic tip on copper surfaces.
Norio Okabayashi, Thomas Frederiksen, Alexander Liebig, and Franz J. Giessibl
Phys. Rev. B 108 (2023)