AFM investigation of rippled structures in friction, wear and adhesion on the nanoscale

Resumen

Dado que la fricción, el desgaste y la adhesión son esenciales tanto en la vida cotidiana como en aplicaciones industriales y cuestiones medioambientales, es bastante sorprendente que la comprensión de los mecanismos fundamentales que gobiernan los procesos que ocurren cuando dos superficies se deslizan entre sí es bastante reducida. Además, hoy en día esta limitación también crea continuos desafíos como en el caso de la miniaturización de los dispositivos tecnológicos y el crecimiento exponencial de la nanotecnología. De hecho, se ha demostrado que uno de los cuellos de botella más importantes de las aplicaciones nanotecnológicas actuales es el escaso control sobre la “nanotribología” de las mismas, dando lugar a una baja fiabilidad y durabilidad de los dispositivos. El objetivo principal de esta tesis doctoral es investigar las sutiles interconexiones entre las estructuras onduladas (ripples) creadas sobre diferentes superficies de materiales y diversas propiedades nanotribológicas observadas en esas superficies desde escala atómica hasta escala microscópica. La herramienta principal utilizada en este trabajo es el microscopio de fuerza atómica (AFM) así como sus técnicas asociadas, que ofrecen la posibilidad de estudiar con alta resolución, entre otros parámetros, la fricción, el desgaste y la adhesión sobre diferentes tipos de materiales y en varios medios. Con el objetivo de llenar el vacío entre investigaciones sobre superficies básicas (por lo general atómicamente planas) y aplicaciones que van desde el desgaste abrasivo hasta la motilidad celular o la tecnología del grafeno, se han seleccionado y caracterizado tres ejemplos de estructuras onduladas. En primer lugar, la tesis se centra en el complejo mundo de la nanotribología de polímeros. Para ello, se ha estudiado la respuesta plástica de películas delgadas de poliestireno enriquecido en disolvente al rayarlas localmente con la punta de AFM. Como resultado del proceso, la superficie puede modelarse dando lugar a nanoestructuras onduladas. Este fenómeno se ha investigado sistemáticamente variando la carga aplicada, la velocidad y el patrón de escaneo. Además, se ha propuesto una adaptación del modelo de Prandtl-Tomlinson (PT) para explicar la evolución espacial y temporal de los patrones superficiales, comparando con éxito dicho modelo con los resultados experimentales. La formación de las ondulaciones se atribuye a una transición desde el fenómeno de deslizamiento continuo al proceso de stick-slip, de forma similar a las observaciones apreciadas con anterioridad en experimentos de fricción a escala atómica. Siguiendo esta analogía, también se ha demostrado que el daño causado por la punta al interactuar con el polímero puede ser controlado introduciendo en el sistema vibraciones ultrasónicas fuera del plano. Según estos resultados, tanto el desgaste como la fricción se reducen o incluso se suprimen al aplicar vibraciones verticales a una frecuencia próxima a la frecuencia de resonancia en contacto de la punta con la muestra cuando la amplitud de excitación es lo suficientemente alta. En el siguiente paso, se han utilizado nanoestructuras onduladas producidas mediante bombardeo deslocalizado de iones (defocused ion beam sputtering) en amplias áreas de un material mucho más duro como es el vidrio, con el objetivo de estudiar cómo dichas topografías con anisotropía modifican el comportamiento de especímenes mucho más grandes depositados sobre ellas. En un intento de continuar los experimentos realizados previamente con nanopartículas de oro manipuladas mediante AFM sobre dichos sustratos, este trabajo de doctorado ha abordado la respuesta tribológica de células madre neuronales y específicamente de sus filopodios (nanoproyecciones citoplasmáticas consideradas las guías de las células). En particular, se observa que los filopodios se alinean preferentemente en paralelo o en perpendicular a la dirección de la ondulación y quedan atrapados en estas configuraciones. Como consecuencia, las células se adhieren menos sobre el sustrato ondulado que aquellas depositadas en uno plano, haciendo que cualquier intento de manipularlas sea extremadamente complejo. Finalmente, un tercer tipo de estructuras onduladas han sido creadas por medio de un tratamiento térmico en membranas de grafeno suspendidas con la finalidad de investigar la influencia de la variación de la rugosidad a nivel local sobre las propiedades tribológicas de este lubricante sólido en aire. La variabilidad obtenida en las características de las ondulaciones hizo que dichas muestras no fuesen adecuadas para un estudio comparativo. Sin embargo, esto no nos ha impedido continuar con la investigación sobre las propiedades nanotribológicas del grafeno. En concreto, nos hemos centrado en la obtención de imágenes de alta resolución de grafeno sobre cobre en agua, extendiendo así un trabajo previo realizado en nuestro grupo en relación con la microscopía de fuerza lateral a escala atómica en materiales cristalinos. Las observaciones experimentales se han comparado también con simulaciones de dinámica molecular (MD) realizadas en agua y en ultra alto vacío. De acuerdo con los resultados, el papel que juega el agua en este tipo de medidas parece ser puramente estocástico, lo que hace que el stick-slip sea prácticamente idéntico al obtenido en condiciones de vacío.