Estudio mecánico-cuántico de la fricción por deslizamiento entre dos nanofilms de hierro. Efectos de relajacion y contribución del magnetismo

Abstract

En este trabajo se han estudiado las propiedades de friccion por deslizamiento entre dos superficies homogeneas e idénticas de Fe-α utilizando simulaciones ab initio mediante el paquete de simulacion VASP (Viena Ab Initio Simulation Package), que implementa la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) en una base de ondas planas. El objetivo principal es comprender los fenomenos que rigen la fricción a escala atómica, obteniendo para ello la superficie de energía potencial (PES) asociada al deslizamiento. A partir de dicha superficie se han calculado magnitudes relevantes como la corrugacion, la energía de adhesion, la fuerza de fricción y la resistencia a la cizalladura, así como la distribucion electrónica y la de momentos magnéticos en la region interfacial del sistema. El análisis se ha realizado en dos escenarios: por un lado, sin permitir relajacion estructural (geometría rígida) y, por otro, permitiendo la relajacion de las posiciones ionicas, lo que ha permitido comparar el impacto de los grados de libertad estructurales y de espín sobre las propiedades tribologicas del sistema. Además, se ha podido estudiar la contribucion de los momentos magnéticos de cada átomo al rozamiento. Finalmente, se han explorado los efectos de una compresion vertical aplicada sobre la interfase, destacando el papel del acoplamiento geometrico y la relajación estructural en la modulación de la fricción a escala atomica.

This work presents a study of the sliding friction properties between two homogeneous and identical Fe-α surfaces, using ab initio simulations performed with the VASP (Vienna Ab initio Simulation Package) code, which implements Density Functional Theory (DFT) within a planewave basis set. The main objective is to understand the mechanisms governing friction at the atomic scale by obtaining the potential energy surface (PES) associated with the sliding process. From this PES, relevant quantities have been computed, such as the corrugation, adhesion energy, frictional force, and shear strength, as well as the electronic charge distribution and local magnetic moments at the interface region. The system has been analyzed under two conditions: with fixed atomic positions (rigid geometry) and allowing for ionic relaxation, enabling a comparison of the tribological properties in each case. Moreover, the contribution of the magnetic local moments to the sliding process has been studied. Finally, the effect of vertical compression on the system’s stability has been explored, highlighting the role of geometric coupling and atomic relaxation in modulating friction at the nanoscale.