Investigadores franceses han desarrollado una nueva técnica para ajustar las fuerzas de fricción en las interfaces entre diferentes materiales. Julien Scheibert y colegas de la Universidad de Lyon utilizaron metasuperficies simples y fácilmente ajustables para crear coeficientes de fricción específicos en la interfaz entre muestras de vidrio y elastómero.
Desde pantallas táctiles hasta manos robóticas, los contactos de fricción son un componente clave de muchos dispositivos modernos. Para optimizar su rendimiento, los diseñadores deben establecer un control estricto sobre las fuerzas de fricción en las interfaces de los materiales. Sin embargo, a pesar de siglos de investigación cuidadosa, todavía no disponemos de un método fiable para predecir el coeficiente de fricción en una interfaz determinada.
La principal dificultad para comprender la fricción es la gran diversidad de texturas que se encuentran en las superficies. El tamaño de las características de la superficie puede abarcar varios órdenes de magnitud: desde escalas atómicas hasta milimétricas. Dado que todas estas características pueden influir en la fricción entre dos superficies, a menudo resulta increíblemente difícil calcular los coeficientes de fricción a partir de los primeros principios.
Actualmente, existen dos técnicas principales para optimizar la fricción entre superficies. Un método consiste simplemente en seleccionar un par de materiales que experimenten la cantidad correcta de fricción. Sin embargo, a menudo ocurre que estos materiales no tienen las otras propiedades (térmicas, eléctricas, etc.) que se requieren para una aplicación específica.
Poca comprensión
"La segunda técnica consiste en crear microtexturas artificiales en las superficies", explica Scheibert. "Pero como la relación entre textura y fricción aún no se comprende bien, las texturas adecuadas normalmente sólo se identifican después de largas y costosas campañas experimentales".
En su estudio, el equipo de Scheibert mejoró el enfoque microtextural utilizando metasuperficies muy simples que comprenden conjuntos cuadrados de casquetes esféricos. A cada tapa se le puede dar una altura específica con respecto a las demás tapas (ver figura).
"En estas condiciones, la respuesta [friccional] de la interfaz se puede modelar con precisión, y la lista de alturas que ofrece el comportamiento de fricción objetivo se puede determinar antes de fabricar las superficies", explica Scheibert. De esta manera, el equipo pudo diseñar diferentes texturas para lograr el nivel deseado de fricción interfacial en el primer intento.
Los investigadores probaron su método preparando metasuperficies en muestras de un centímetro de un elastómero similar al caucho. Cada superficie presentaba una red de 64 casquetes esféricos hechos de elastómero. La altura a la que cada tapa sobresale de la superficie se establece individualmente, lo que permite al equipo crear una variedad de metasuperficies diferentes.
La fricción se mide colocando una pieza plana de vidrio encima de la metasuperficie y empujando hacia abajo mientras se arrastra el vidrio a lo largo de la metasuperficie. Ajustando la estructura de las metasuperficies de forma sistemática, se podrían crear coeficientes de fricción específicos en la interfaz.
Dos coeficientes de fricción diferentes
El enfoque funcionó sin necesidad de realizar cálculos de primeros principios de las fuerzas de fricción y sin cambiar ninguna propiedad de los propios materiales. "Además, hemos preparado contactos con dos coeficientes de fricción diferentes, que dependen del nivel de compresión aplicado a la interfaz, un comportamiento que es muy raro en la naturaleza", añade Scheibert.
La fricción hace el trabajo pesado en cuerdas e hilos
Con este enfoque rápido y asequible, el equipo de Scheibert pudo reproducir una variedad de leyes de fricción conocidas en sus experimentos: incluidas leyes lineales, donde el coeficiente de fricción permanece constante a medida que aumentan las fuerzas de corte a través de la interfaz; y leyes no lineales más complejas, donde este coeficiente varía con la fuerza cortante.
A medida que mejoran aún más su técnica, los investigadores prevén una amplia gama de aplicaciones para su enfoque de metasuperficie ajustable. "Crear interfaces de contacto que coincidan con un comportamiento de fricción específico es el Santo Grial en tribología", dice Scheibert.
“Nuestra estrategia de diseño proporciona nuevas herramientas para preparar este tipo de interfaces friccionales. Esto podría potencialmente abrir oportunidades en diversos campos desafiantes, desde deportes hasta robótica blanda. Si además están equipadas con sensores y actuadores, nuestras metainterfaces incluso cumplen la promesa de interfaces de contacto inteligentes con ajuste de fricción en tiempo real”.
La investigación se describe en Ciencia:.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/
