- Investigadores chinos han observado fricción cuántica entre materiales sólidos.
- El estudio se realizó manipulando grafeno a escala nanométrica y en frío extremo.
- La fricción cuántica se relaciona con la reorganización electrónica inducida por la tensión en el material.
- Este hallazgo podría impulsar nuevas aplicaciones en la nanotecnología y la eficiencia energética.
Un reciente avance en el campo de la física ha puesto el foco en la fricción cuántica, un fenómeno que hasta ahora solo se había teorizado y que finalmente ha sido observado de manera experimental entre materiales sólidos. Un equipo de investigación del Instituto de Física Química de Lanzhou, en China, ha conseguido demostrar cómo el grafeno plegado a nivel nanométrico presenta comportamientos completamente inesperados en su interacción con otras superficies.
Este descubrimiento se produjo al analizar hojas extremadamente finas de grafeno, un material que consiste en una sola capa de átomos de carbono. Los científicos utilizaron tecnología de microscopía de fuerza atómica y expusieron el grafeno a temperaturas extremadamente bajas para analizar cómo se comportaba cuando se doblaba sobre sí mismo y se deslizaba.
Lo más llamativo es que, contrariamente a lo que dictan las leyes clásicas, en algunos de los pliegues del grafeno se detectó una reducción de la fricción en lugar de un aumento. Este comportamiento fue atribuido a la tensión interna que surge cuando el material se dobla, lo que altera la manera en la que los electrones se organizan.
El efecto cuántico provoca que el grafeno desarrolle niveles de energía diferenciados —denominados pseudoniveles de Landau— que dificultan la dispersión de la energía en forma de calor. Como consecuencia, los electrones tardan más en enfriarse y la pérdida energética es mucho menor.
La fricción cuántica destaca porque, a diferencia de la fricción tradicional que se produce por contacto directo, se genera principalmente debido a la interacción de los electrones a través de la fuerza en los campos eléctricos cuando dos superficies están muy próximas, sin que sea necesario el roce físico.
Un experimento pionero en nanotecnología y física cuántica
Para llevar a cabo este estudio, el grupo de Lanzhou diseñó su propio sistema experimental criogénico, lo cual les permitió observar con precisión cómo el grafeno respondía a distintas curvaturas y configuraciones de capas.
Uno de los resultados clave fue que el tiempo de enfriamiento de los electrones, tras ser excitados, se incrementó de 0,32 a 0,49 picosegundos en los bordes doblados en comparación con los bordes expuestos. Este detalle es una muestra clara de la menor disipación de energía y, por tanto, menor fricción en estas condiciones cuánticas.
Este estudio, publicado en la revista Nature Communications, no solo describe un fenómeno novedoso, sino que también sienta las bases para el desarrollo de nuevas tecnologías más eficientes. Por ejemplo, abre la posibilidad de crear dispositivos nanométricos que aprovechen la baja fricción para disminuir desgastes y optimizar el consumo energético, algo especialmente valioso en sectores como la electrónica avanzada, la computación cuántica y el diseño de materiales topológicos.
La investigación se enmarca dentro de una tendencia creciente en la ciencia de convergencia entre nanotecnología y física cuántica, poniendo a China al frente en la carrera por comprender y aprovechar estos efectos fundamentales en nuevos desarrollos industriales.
Implicaciones y futuro de la fricción cuántica en grafeno
La observación directa de fricción cuántica entre sólidos representa un paso importante tras otros experimentos previos, como el de 2023, donde se demostró este fenómeno entre grafeno y agua (sólido-líquido). La reducción de fricción a nivel nanométrico puede tener un impacto significativo en la eficiencia energética y la durabilidad de los dispositivos electrónicos.
Se prevé que el estudio impulse futuras investigaciones en la mejora de dispositivos electrónicos de bajo consumo y el diseño de materiales aún más resistentes y eficientes, utilizando las propiedades únicas del grafeno ajustadas a nivel atómico.
La comunidad científica ve este resultado como una muestra de hasta dónde pueden llegar las aplicaciones cuánticas, y augura que los próximos años traerán nuevas revelaciones sobre el papel de la fricción cuántica en la tecnología del futuro.
Este avance ha sido posible gracias a la dedicación, desde 2021, del equipo del Instituto de Física Química de Lanzhou, que sigue liderando investigaciones en la frontera de la física y los materiales avanzados.
El fenómeno de la fricción cuántica, ya no solo es una curiosidad teórica, sino una realidad comprobada que promete transformar la forma en la que entendemos y empleamos materiales a escala nanométrica. El grafeno vuelve así a posicionarse como un material clave en la exploración de los límites de la ciencia moderna.
