La ciencia utiliza las letras “UZ” para comprender cómo se moldean las superficies en la nanoescala

Hace cerca de 30 años que se publicaron las primeras observaciones de la aparición de una serie de curiosos patrones, a modo de ondulaciones, en superficies blandas de polímeros estudiadas por un microscopio de fuerza atómica (AFM). Estas ondulaciones, que aparecen por efecto de la punta del AFM, que moldea la superficie, han sido observadas repetidamente pero nunca habían sido explicadas de modo satisfactorio hasta la fecha.

 

En el último número de la revista Physical Review Letters (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.256101), Juan J. Mazo y Pedro Martínez, dos investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (centro mixto CSIC-UZ) y la Universidad de Zaragoza, en colaboración con el doctor Enrico Gnecco y colaboradores, de la Universidad Friedrich Schiller de Jena (Alemania), han propuesto una extensión de un modelo de fricción a escala atómica y lo han aplicado satisfactoriamente al estudio de la formación de estas estructuras en una superficie de poliestireno.

 

La relevancia del trabajo no sólo viene dada por la comprensión de un fenómeno elusivo a la ciencia desde hace casi 30 años. El modelo propuesto también permite predecir cambios morfológicos en la superficie de forma controlada. Los resultados, obtenidos para el caso de las letras “UZ”, son extrapolables a otros patrones y escalables sin límite físico alguno.

 

Un microscopio de fuerza atómica es un microscopio especial que, más que ver, nos permite tocar una superficie con dedos de tamaño atómico. Al recorrerla podemos hacernos una idea de muchas de sus características estructurales y funcionales con una resolución en la nanoescala.

 

Si la superficie es suficientemente blanda, la punta del AFM puede moldearla, de manera similar a como un dedo moldea una superficie de plastilina si la recorre con una fuerza suficiente. Así, en nuestro caso, la punta del microscopio es capaz de penetrar en el material, deformándolo, mientras que es empujada a lo largo de la superficie de la muestra. En el trabajo publicado se comparan los resultados de una serie de simulaciones numéricas en tres dimensiones con experimentos recientes, obteniéndose un acuerdo sobresaliente tanto en la reproducción de los patrones esperados como en las peculiaridades observadas en las fronteras de los materiales.

 

Pero el modelo planteado abre otras posibilidades, ya que permite ir más allá del efecto de una sólo punta y peinar una superficie con una red de nanopuntas simulando las primeras etapas del fenómeno de abrasión. Esto es un importante avance. Los problemas de fricción son extremadamente complejos, han desafiado a la física durante siglos, y siguen sin estar adecuadamente entendidos en la actualidad. El trabajo realizado propone un modelo teórico sencillo y elegante que permite por un lado entender y reproducir por vez primera las observaciones experimentales realizadas, y por otro establecer un puerto seguro desde donde partir para explorar nuevos fenómenos de interés.

 

 

Se adjunta una imagen de los resultados obtenidos para el caso de las letras “UZ”.