¿Podrían las nanomáquinas librarse de la fricción?

¿Podrían las nanomáquinas librarse de la fricción?

Los científicos afirman que la atracción cuántica entre superficies muy próximas no produce fricción cuando se mueven.
Philip Ball

[La fuerza atractiva de Casimir podría incluso ser repulsiva. Jay Penni y Federico Capasso]

Dos físicos afirman que el efecto mecánico-cuántico que atrae a los objetos cuando están muy juntos no produce fricción cuando se mueven. Este resultado sugiere que la operación de maquinaria a nanoescala podría no tener el problema de fricción que se temía.

Se ha pensado durante mucho tiempo que la fuerza de Casimir, que junta dos objetos cuando están menos separados que la anchura de un cabello, crea una fuerza de arrastre cuando los objetos se mueven. “Esperábamos encontrar una fuerza lateral [friccional]”, admitió el físico Tom Philbin de la Universidad de St. Andrews del Reino Unido, quien realizó los cálculos con su colega Ulf Leonhardt. Sin embargo, ahora los dos investigadores creen que los estudios previos eran incorrectos.

Si tuvieran razón, significaría que aunque la fuerza de Casimir pudiera causar un colapso (stiction) en las nanomáquinas −las partes móviles podrían permanecer unidas−, no tendría por qué causar fricción. La fuerza de Casimir sólo actúa de forma perpendicular a las dos superficies en contacto, mientras que la fricción actúa paralela a las superficies.

Un problema de atracción
La fuerza de Casimir se produce en general cuando dos superficies están separadas únicamente por unas pocas decenas de nanometros. La existencia de fuerzas de corto alcance entre cuerpos a escala molecular se postuló por primera vez en el siglo XIX, pero en 1940, el científico holandés Hendrik Casimir y sus colaboradores llevaron a cabo las primeras medidas detalladas de cómo la fuerza depende de la separación de los objetos.

Casimir y sus colegas explicaron cómo la fuerza atractiva surge de las fluctuaciones en la carga eléctrica de las superficies, causadas por efectos cuánticos. Otra forma equivalente de describir la fuerza de Casimir es una propiedad del espacio vacío: las partículas subatómicas que se crean y destruyen en el vacío entre dos superficies afectan a su modo de interacción.

Esta situación fue aclarada en los años cincuenta por el físico soviético Evgeny Lifshitz, por lo que en ocasiones la fuerza se denomina de Casimir-Lifshitz. Sin embargo, extender la teoría de Lifshitz al caso en el que las superficies se están moviendo la una con respecto a la otra resulta sorprendentemente difícil.

Casi todos los cálculos hasta ahora indicaban que la fuerza creaba una fricción lateral. En esta situación, el vacío cuántico actúa como una especie de fluido con una viscosidad que impone un arrastre a los objetos en movimiento. Pero estos primeros estudios diferían en sus estimaciones de cómo de fuerte sería este arrastre.

Philbin y Leonhardt comenzaron sus propios cálculos asumiendo que ese arrastre existía. Querían explorar la posibilidad de la que fuerza de fricción se podría modificar cambiando la naturaleza de las superficies que interaccionaban. Se ha sospechado durante mucho tiempo y se ha confirmado recientemente¹ que con la elección adecuada de los materiales la fuerza de Casimir puede ser incluso repulsiva.

Para su sorpresa, los investigadores encontraron que cuando dos laminas paralelas se mueven la una con respecto a la otra a velocidad constante, las láminas no experimentan nada de fricción cuántica. Sus resultados se publicarán próximamente en el New Journal of Physics².

Escándalo friccional
Sin embargo, no todo el mundo está convencido por los nuevos resultados. El físico John Pendry del Imperial College de Londres, quien previamente había calculado que la fuerza de Casimir debería dar lugar a un efecto friccional, se mantiene firme un su conclusión previa.

La fuerza atractiva entre superficies surge porque las fluctuaciones cuánticas de carga eléctrica en una de ellas inducen imágenes especulares de las cargas en la otra. Pero si las superficies se están moviendo, afirmó Pendry, “hay un pequeño lapso, por lo que el centro de gravedad de la imagen cambia y ya no está directamente debajo del original. Este lapso conduce a la disipación de la energía a través de una fuerza friccional, como si la primera superficie estuviera remolcando la carga de la otra superficie”.

Pendry aseguró que algo equivalente a esta fuerza friccional ya se ha observado en experimentos con corrientes eléctricas moviéndose es dos láminas de material conductor separadas por una capa aislante.

Philbin reconoce que, dada la contradicción con los resultados previos, su afirmación “no va a ser aceptada de la mañana a la noche”. Pero incluso si sus cálculos fuesen correctos, no significa que las nanomáquinas que los ingenieros están fabricando no sentirían ninguna fricción. La fricción se produce cuando las superficies de estos diminutos dispositivos entran en contacto³, tal y como han mostrado tanto la teoría como los experimentos.