Los orígenes de la rugosidad
Se investigaron los orígenes de la textura de la superficie
La mayoría de las superficies naturales y artificiales son ásperas: los metales e incluso las gafas que parecen lisas a simple vista pueden parecer cadenas montañosas dentadas bajo el microscopio. Actualmente no existe una teoría uniforme sobre el origen de esta rugosidad a pesar de que se observa en todas las escalas, desde la atómica hasta la tectónica. Los científicos sospechan que la superficie rugosa se forma por la deformación plástica irreversible que se produce en muchos procesos de mecanizado de componentes como el fresado. El Prof. Dr. Lars Pastewka del grupo de Simulación del Departamento de Ingeniería de Microsistemas de la Universidad de Friburgo y su equipo han simulado tales cargas mecánicas en simulaciones por ordenador. Los investigadores descubrieron que las superficies hechas de diferentes materiales, que muestran distintos mecanismos de deformación plástica, siempre desarrollan una rugosidad superficial con propiedades estadísticas idénticas.
Las superficies de diferentes materiales siempre desarrollan rugosidades superficiales con propiedades estadísticas idénticas.
AG Pastewka
Las superficies geológicas, como las cadenas montañosas, se crean por deformación mecánica, que luego conduce a procesos como la fractura o el desgaste. Las superficies sintéticas suelen pasar por muchos pasos de conformación y acabado, como el pulido, el lapeado y el esmerilado, explica Pastewka. La mayoría de estos cambios en la superficie, ya sean naturales o sintéticos, conducen a deformaciones plásticas en la escala de longitud atómica más pequeña: "Incluso en las puntas de las grietas de la mayoría de los materiales frágiles como el vidrio, hay una zona de proceso finito en la que el material se deforma plásticamente", dice el investigador de Friburgo. "La rugosidad en estas escalas más pequeñas es importante porque controla el área de contacto atómico íntimo cuando dos superficies se presionan entre sí y, por lo tanto, la adhesión, la conductividad y otras propiedades funcionales de las superficies en contacto".
En colaboración con colegas del Instituto de Tecnología de Karlsruhe, la École Polytechnique Fédérale de Lausanne/Suiza y los Laboratorios Nacionales de Sandia/EE.UU., y con la financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC), Pastewka y su grupo pudieron simular la topografía de la superficie de tres sistemas de materiales de referencia en las supercomputadoras JUQUEEN y JUWELS del Centro de Supercomputación de Jülich, que incluían el oro monocristalino, una aleación de alta entropía de níquel, hierro y titanio, y el vidrio metálico de cobre-circonio, en el que los átomos no forman estructuras ordenadas sino un patrón irregular. Se sabe que cada uno de estos tres materiales tiene diferentes propiedades micromecánicas o moleculares. Los científicos ahora investigaron el mecanismo de la deformación y los cambios resultantes en la escala atómica tanto en el interior del sólido como en su superficie.
Pastewka, que también es miembro del Grupo de Excelencia de Sistemas de Materiales Vivos, Adaptativos y Energéticamente Autónomos (livMatS), y su equipo descubrieron que a pesar de sus diferentes estructuras y propiedades materiales, los tres sistemas, cuando se comprimen, desarrollan superficies rugosas con la llamada topografía autoafinada. Esto significa que los sistemas tienen estructuras geométricas idénticas independientemente de la escala en la que se observen: La topografía de la superficie en un microscopio virtual a escala nanométrica no puede distinguirse de la estructura de los paisajes montañosos a escala kilométrica. "Esta es una explicación", dice Pastewka, "de por qué se observa en los experimentos una estructura casi universal de rugosidad de la superficie".
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