Caracterización y diseño de lubricantes en la computadora
Modelos computacionales basados en las propiedades de la estructura molecular
Los ejes, cojinetes y engranajes lubricados sólo funcionan "como un reloj" cuando los componentes se deslizan sobre una película lubricante perfecta, generando la menor fricción, desgaste y pérdida de energía posible. Para lograr esto, los ingenieros necesitan conocer el comportamiento de la película lubricante en el llamado tribocontacto, que es difícil de medir experimentalmente. Para determinar dicho comportamiento, el Fraunhofer IWM, MicroTribology Center μTC hace que las propiedades del lubricante sean calculables mediante métodos atomísticos y recientemente ha publicado interesantes hallazgos sobre uno de los parámetros centrales, la dependencia de la presión de la viscosidad del lubricante, en la revista científica Physical Review Letters.
Moléculas de alcano cuya viscosidad se ha calculado mediante simulación de la dinámica molecular en condiciones de alta presión y alta temperatura (izquierda), así como las propiedades de la estructura molecular requeridas.
© Fraunhofer IWM
Para desarrollar un nuevo lubricante o mejorar uno ya existente, es importante comprender con precisión su comportamiento: presión, temperatura, velocidad de corte y viscosidad son parámetros importantes. Es muy difícil medir la película de lubricante experimentalmente porque las condiciones requeridas para hacerlo raramente pueden establecerse de manera controlada", explica la Dra. Kerstin Falk, miembro del grupo de Modelado Multi-Escala y Tribosimulación del Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales IWM en Friburgo. En algunas zonas, por ejemplo, se producen cargas tan extremas que la presión en el rango Giga-Pascal se genera localmente', dice la experta en tribología, la ciencia de la fricción, la lubricación y el desgaste. Las simulaciones pueden ayudar donde los experimentos son difíciles: hasta ahora, las predicciones para el comportamiento del lubricante a alta presión se han obtenido principalmente extrapolando los resultados de los experimentos en un rango de presión normal. Desafortunadamente, este enfoque falla a las presiones extremadamente altas que ocurren localmente en los contactos friccionales lubricados.
Cálculos precisos de la viscosidad a alta presión
Utilizando simulaciones de dinámica molecular atomística, el físico puede predecir las propiedades del lubricante, como la viscosidad en condiciones de presión y temperatura controladas y arbitrariamente ajustables. Hemos tenido mucho éxito en el cálculo de la viscosidad de varios modelos de lubricantes a presiones de hasta 700 Mega-Pascales", dice la Dra. Kerstin Falk. "Nuestros lubricantes de modelo consistían en simples alcanos lineales o ramificados", continúa. Los alcanos o parafinas son cadenas muy estables de carbono e hidrógeno que son los componentes básicos de muchos lubricantes y combustibles comunes.
Los lubricantes se caracterizan por sus propiedades moleculares
Pero el verdadero objetivo de Falk era obtener un modelo de predicción más práctico de lo que había sido posible anteriormente. Debería permitir el cálculo del valor de viscosidad para ciertas condiciones en la brecha tribal sin tener que llevar a cabo complejas simulaciones de dinámica molecular. Para ello, la Dra. Kerstin Falk y sus colegas, el Dr. Daniele Savio y el profesor Michael Moseler, utilizaron simulaciones atomísticas que, casi como una "súper lupa virtual", permiten comprender la estructura microscópica y la dinámica de las moléculas de lubricante. De esta manera, el equipo descubrió cuáles son las tres propiedades moleculares de un lubricante que determinan significativamente su viscosidad: las áreas de la sección transversal molecular, la flexibilidad de la cadena y la distancia entre las moléculas individuales. Con estas propiedades identificadas, la viscosidad de un lubricante puede ser calculada fácilmente y con precisión bajo una amplia variedad de condiciones. Además, usando este método de simulación, también podemos encontrar las moléculas correctas para ciertas tensiones tribológicas', dice el Dr. Falk. Y en combinación con simulaciones químicas cuánticas adicionales de la interacción del lubricante con las superficies de los componentes, podemos sugerir a nuestros clientes un lubricante adecuado para una aplicación determinada", añade el Prof. Michael Moseler.
En el futuro, estos nuevos resultados también servirán de base para investigar el comportamiento del lubricante a muy altas velocidades y, por tanto, a altas tasas de cizallamiento. También se examinarán las formas en que los lubricantes se comportan en las brechas de fricción muy estrechas, que sólo tienen unos pocos diámetros de moléculas. La Dra. Kerstin Falk y sus colegas también pueden caracterizar otros lubricantes con el nuevo método, por ejemplo, los lubricantes a base de agua para aplicaciones compatibles con el medio ambiente.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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