Development and application of a machine learning potential for diamond surfaces and their sliding interfaces with silicon nitride and silica: effect of passivation, orientation and load

El diamante es famoso por ser el material más duro conocido por la ciencia, una cualidad que lo hace invaluable para herramientas de corte, rodamientos de precisión y la delicada maquinaria que desplaza las obleas de silicio en las fábricas de computación. Sin embargo, incluso esta sustancia inquebrantable se desgasta cuando roza contra otros materiales, y la velocidad de ese desgaste depende enteramente de lo que está sucediendo en la superficie misma. Si el aire es seco o el espacio es un vacío, los átomos de carbono expuestos en el diamante pueden estirarse para agarrarse al material contra el que se desliza, formando fuertes enlaces químicos que causan fricción y eventualmente arrancan átomos. No obstante, en aire húmedo, las moléculas de agua se rompen y recubren el diamante con una capa protectora de grupos de hidrógeno y oxígeno, evitando que esos enlaces se formen y permitiendo que el diamante se deslice suavemente. Comprender exactamente cómo funciona esta protección, y cómo resiste bajo la inmensa presión de la maquinaria del mundo real, ha sido un rompecabezas difícil para los científicos porque los eventos ocurren demasiado rápido y conllevan demasiados átomos para que los modelos computacionales tradicionales puedan rastrearlos durante periodos de tiempo útiles.

Para resolver esto, investigadores de la Universidad de Bolonia crearon un nuevo tipo de programa informático que actúa como un simulador altamente preciso y ultrarrápido de cómo interactúan los átomos. En lugar de utilizar los cálculos lentos y pesados de la física estándar, entrenaron un sistema de aprendizaje automático con miles de instantáneas detalladas de cómo se comportan juntos el carbono, el silicio, el nitrógeno, el oxígeno y el hidrógeno. Este sistema aprendió las reglas del juego a partir de datos de física de alto nivel, lo que le permitió predecir cómo se moverían y se unirían estos átomos en una fracción del tiempo. El equipo utilizó entonces esta nueva herramienta para observar qué sucede cuando la superficie de un diamante se desliza contra una pieza de nitruro de silicio, un material cerámico duro, bajo una amplia gama de condiciones. Probaron cuatro caras de cristales de diamante diferentes, algunas limpias y secas, otras cubiertas con el recubrimiento protector derivado del agua, y las presionaron con fuerzas que iban desde un toque suave hasta presiones de hasta 23 gigapascales, que es aproximadamente la presión donde una punta de diamante dura se clava en una superficie más blanda.

Las simulaciones revelaron que el comportamiento de las superficies deslizantes se divide en dos categorías distintas, determinadas por si el diamante está protegido y qué tan fuerte se está presionando. Cuando la superficie del diamante está cubierta con la capa protectora de grupos de hidrógeno y oxígeno, o cuando es un tipo específico de cara de diamante que es naturalmente menos reactiva, los dos materiales permanecen químicamente separados a presiones bajas o moderadas. En este estado, el diamante y la cerámica se deslizan uno sobre otro como dos bloques rígidos en un plano perfectamente liso, casi sin que se formen enlaces químicos entre ellos. La fricción es baja y el desgaste es mínimo porque los átomos nunca tienen la oportunidad de agarrarse. Sin embargo, a medida que la presión aumenta, la fuerza se vuelve lo suficientemente fuerte como para romper este escudo protector. A cargas muy altas, los grupos de hidrógeno y oxígeno son desplazados o transferidos, permitiendo que los átomos de carbono del diamante formen puentes químicos fuertes con el silio y el nitrógeno de la cerámica.

Una vez que estos puentes químicos se forman, la naturaleza del deslizamiento cambia por completo. En lugar de que las dos superficies se deslicen una sobre otra, el enlace entre ellas se vuelve más fuerte que el propio material cerámico. La fricción entonces deja de ocurrir en la interfaz y se traslada hacia la capa cerámica más blanda, la cual comienza a fluir y deformarse como una pasta espesa bajo el estrés. Los investigadores descubrieron que el comportamiento de las superficies deslizantes cae en dos categorías distintas, determinadas por si el diamante está protegido y qué tan fuerte se está presionando. Cuando la superficie del diamante está cubierta con la capa protectora de grupos de hidrógeno y oxígeno, o cuando es un tipo específico de cara de diamante que es naturalmente menos reactiva, los dos materiales permanecen químicamente separados a presiones bajas o moderadas. En este estado, el diamante y la cerámica se deslizan uno sobre otro como dos bloques rígidos en un plano perfectamente liso, casi sin que se formen enlaces químicos entre ellos. La fricción es baja y el desgaste es mínimo porque los átomos nunca tienen la oportunidad de agarrarse. Sin embargo, a medida que la presión aumenta, la fuerza se vuelve lo suficientemente fuerte como para romper este escudo protector. A cargas muy altas, los grupos de hidrógeno y oxígeno son desplazados o transferidos, permitiendo que los átomos de carbono del diamante formen puentes químicos fuertes con el silio y el nitrógeno de la cerámica.

Cuando estos puentes químicos se forman, la naturaleza del deslizamiento cambia por completo. En lugar de que las dos superficies se deslicen una sobre otra, el enlace entre ellas se vuelve más fuerte que el propio material cerámico. La fricción entonces deja de ocurrir en la interfaz y se traslada hacia la capa cerámica más blanda, la cual comienza a fluir y deformarse como una pasta espesa bajo el estrés. Los investigadores descubrieron que, para las caras de diamante limpias y sin protección, este fuerte enlace ocurre casi inmediatamente, incluso a presiones bajas, haciendo que la fricción salte a un nivel alto y constante determinado por la facilidad con la que la cerámica puede fluir. Para las superficies protegidas, la fricción permanece baja hasta que la presión alcanza un punto crítico donde la protección falla, momento en el cual la fricción se dispara para igualar los niveles altos de las superficies sin protección.

El estudio también mostró que no todas las caras de diamante son igualmente vulnerables. Una disposición específica de átomos, conocida como la cara reconstruida de Pandey, es naturalmente más resistente a la unión que las otras, manteniéndose protegida hasta presiones más altas incluso sin el recubrimiento derivado del agua. En contraste, otra cara, la orientación C(110), es altamente reactiva y forma enlaces fácilmente, lo que provoca más desgaste. El equipo descubrió un vínculo directo entre el número de enlaces químicos formados en la interfaz y la cantidad de fricción generada: mientras más escasos sean los enlaces, la fricción aumenta constantemente con el número de conexiones, pero una vez que la interfaz está totalmente unida, la fricción se estabiliza porque la debilidad se traslada al material cerámico mismo. Este trabajo proporciona una imagen clara y cuantitativa de cómo las condiciones ambientales y la química de la superficie controlan el desgaste del diamante, explicando por qué estos materiales se comportan de manera tan diferente en aire húmedo en comparación con el vacío seco, y ofreciendo una nueva forma poderosa de simular y predecir el desgaste en aplicaciones industriales complejas sin las limitaciones de los métodos anteriores.