Descrio indita sobre origem do atrito pode dispensar lubrificantes

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 31/01/2024

Experimentos numricos feitos em simulaes computadorizadas. A ponta de cobre (tip), coberta por uma camada de grafeno (vermelho), desliza sobre outro substrato de Cu tambm recoberto por grafeno (azul).
[Imagem: University of Leicester]

Lei do atrito

Existem vrios estados fsicos e comportamentos da matria que, apesar de j tirarmos proveito deles, ainda estamos longe de compreend-los completamente – o caso da supercondutividade, por exemplo.

Mas existem outros casos, e um dos mais incmodos a superlubricidade, um estado no qual duas superfcies experimentam pouco ou quase nenhum atrito ao deslizarem uma sobre a outra.

A maioria das pessoas sabe intuitivamente que o atrito – a resistncia de um objeto ao deslizamento – maior para objetos mais pesados do que para os mais leves, algo conhecido como lei de atrito de Amontons-Coulomb, formulada h mais de 300 anos.

No entanto, essa “lei” no se aplica superlubricidade: Este fenmeno at dezenas de milhares de vezes menor do que a frico convencional e, quando ela est em ao, a fora de atrito no depende do peso do objeto. Em outras palavras, aumentar o peso de um corpo, mesmo que seja de gramas para toneladas, no alteraria o nvel da fora de atrito.

Isso muito promissor para aplicaes tecnolgicas, onde poderia potencialmente reduzir o atrito de 1.000 a 10.000 vezes em mquinas, motores e outros mecanismos. Contudo, at agora a superlubricidade est associada a superfcies moleculares lisas, como o grafeno, e s foi observada em ambiente de laboratrio, onde essas superfcies so sintetizadas em escalas nano- e micro-mtricas.

Esta simulao em grande escala retrata o fenmeno chamado superlubricidade, ou uma condio de atrito extremamente baixo, que ocorre em superfcies de materiais como o grafeno e “carbono tipo diamante“.
[Imagem: Deshmukh/Insley/Sankaranarayanan/ANL]

Flutuaes sincrnicas

Agora, Nikolai Brilliantov e colegas da Universidade de Leicester, no Reino Unido, finalmente conseguiram descrever a superlubricidade de modo mais completo, mostrando que o atrito se origina de flutuaes “sincrnicas” das superfcies dos objetos, por sua vez causadas por vibraes aleatrias dos tomos da superfcie.

Essas vibraes existem em qualquer temperatura diferente de zero e sua intensidade diminui com a diminuio da temperatura. Isto significa que, ao diminuir a temperatura da superfcie, os efeitos do atrito podem ser reduzidos ainda mais.

“Explicar o comportamento enigmtico da superlubricidade ajudar a controlar o atrito ultrabaixo, o que pode abrir horizontes de aplicaes industriais de tirar o flego.

“Uma diferena to dramtica com o atrito comum intrigante e precisa de explicao. Existem outras caractersticas surpreendentes da superlubricidade, como a dependncia incomum da fora de atrito na velocidade de deslizamento, na temperatura e na rea de contato. Todas essas dependncias so opostas ao previsto pelas leis tradicionais de Amontons-Coulomb,” disse Brilliantov.

Como nasce e como morre o atrito

Para investigar os princpios da superlubricidade, os pesquisadores criaram uma interface entre duas superfcies moleculares lisas – uma ponta deslizando sobre um substrato, ambas cobertas por uma camada de grafeno. Os dados, coletados por microscopia de fora lateral, foram usados para alimentar simulaes computadorizadas de dinmica molecular, para criar um modelo muito realista do fenmeno real.

As duas superfcies so incomensurveis, o que significa que as potenciais “colinas” na estrutura molecular de uma superfcie no devem caber nos potenciais “vales” da outra superfcie. As superfcies so como duas caixas de ovos juntas – se se encaixarem, elas travaro e ser necessria mais fora para causar o deslizamento.

Se a temperatura das superfcies no for zero, surge a fora de atrito, devido s ondulaes superficiais, causadas por flutuaes trmicas. Os cientistas demonstraram que o atrito se origina das flutuaes trmicas “sincrnicas”, quando duas superfcies dobram-se simultaneamente, permanecendo em contato estreito. Quanto maior for a temperatura das superfcies, maior ser a amplitude das flutuaes sincrnicas; e quanto maior a rea de contato, maior o nmero de flutuaes superficiais que dificultam o movimento relativo.

“Fomos capazes de explicar o mecanismo atomstico da enigmtica independncia da fora de atrito sobre o peso de um corpo e formulamos novas leis de atrito para a superlubricidade. Estas leis, embora estejam em ntido contraste com as leis de Amontons-Coulomb, descrevem este fenmeno bastante bem.

“Uma vez que camadas moleculares de superfcie lisa sejam produzidas na escala de milmetros ou centmetros, todos os contatos mveis, giratrios e oscilantes em mquinas e mecanismos sero cobertos com tais camadas superficiais. Isso diminuir drasticamente o consumo de energia em todo o mundo. Para diminuir ainda mais o consumo de energia, os maiores contatos sero possivelmente mantidos em baixas temperaturas,” prev Brilliantov.

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