Mecânica

Como experimento de atrito em escala atômica pode ir parar na Fórmula 1

A adição de deutério faz o atrito despencar, abrindo caminho para aplicações tecnológicas. [Imagem: Saron Sales de Mello et al. - 10.1038/s41598-017-03046-8]

Atrito em escala atômica

O atrito é um fenômeno praticamente onipresente na vida cotidiana. O ato de caminhar só é possível devido ao atrito entre os pés (ou calçados) e o solo; o sentido do tato depende do atrito entre as mãos (ou demais partes do corpo) e os objetos; e, para alegria dos fabricantes de lubrificantes, todas as máquinas desgastam-se com o atrito de seus componentes.

Para entender esse fenômeno, os pesquisadores estão criando técnicas para dar um zoom cada vez profundo e enxergar como os átomos se esfregam para produzir o atrito.

Na década de 1980, foi criado um instrumento que possibilitou investigar e medir o atrito na escala atômica: o microscópio de força atômica (AFM: atomic force microscope). Por meio de uma ponta de diamante, capaz de aplicar uma pressão extremamente baixa sobre a superfície a ser estudada, o AFM permite rastrear em profundidade a estrutura dessa superfície.

Outro instrumento que viabilizou medidas em escalas mesoscópicas e nanoscópicas foi o nanoindentador: Uma ponta de diamante desliza sobre o substrato a ser estudado, tendo a pressão aplicada e a velocidade de deslocamento controladas por dispositivos elétricos e magnéticos, e a força tangencial, devido à fricção, continuamente registrada.

Usando este último instrumento, um grupo de pesquisadores de três universidades brasileiras (Universidade de Caxias do Sul, Unicamp e PUC-Rio) determinou agora a participação da dissipação fônica - isto é, das vibrações que se propagam na rede cristalina do material - no fenômeno do atrito.

"Quando se desce ao nível atômico, é preciso levar em conta as forças elétricas, magnéticas e de contato entre os átomos. Mas existe também um outro mecanismo importante de dissipação de energia, constituído pelos fônons. O deslizamento de uma superfície sobre outra produz vibrações nas moléculas que compõem os materiais. E são essas vibrações, que podem se propagar nas estruturas cristalinas, que chamamos de 'fônons'. Foi esse fenômeno específico que enfocamos em nosso estudo," contou Fernando Alvarez, idealizador do experimento.

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Atrito vibracional

Um fônon é uma excitação mecânica que se propaga pela rede cristalina de um sólido. Em física clássica, cada fônon pode ser descrito como uma onda elástica. Mas, considerando que o fenômeno ocorre em escala atômica, a física quântica o descreve como um quantum de energia que viaja pela rede cristalina.

Para isolar a participação dos fônons e determinar sua contribuição específica ao fenômeno do atrito, a equipe comparou materiais com as mesmas propriedades elétricas e magnéticas e de contato, só se diferenciando pelas propriedades fônicas.

Sobre um substrato de silício cristalino, foi depositada uma camada nanométrica de carbono amorfo semelhante ao diamante (DLC: diamond-like amorphous carbon), um material extremamente duro já utilizado como película protetora em diversos equipamentos, incluindo as engrenagens dos motores de alta eficiência dos carros de corrida, como os da Fórmula 1.

A novidade do experimento foi que a equipe substituiu os hidrogênios do DLC por deutério. Enquanto o hidrogênio é composto por apenas um próton (no núcleo) e um elétron (na camada envolvente), o deutério é um isótopo do hidrogênio que, além do próton, tem também um nêutron no núcleo. Assim, o deutério é idêntico ao hidrogênio comum do ponto de vista químico, elétrico e magnético, mas possui aproximadamente o dobro da massa, devido ao acréscimo do nêutron.

"Comprovamos que a força de fricção decresce claramente à medida que cresce a porcentagem de deutério na composição. E o único fator responsável por esse decréscimo da força é o aumento da massa, e, portanto, a diminuição da frequência vibratória do material," explicaram os pesquisadores.

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A ilustração representa o substrato de silício cristalino, o material estudado (400 nm) e a ponta do microscópio de força atômica, deslizando na direção indicada. O material consiste de carbono amorfo com distintos conteúdos de hidrogênio (H) e deutério (D), aumentando da esquerda para a direita. As molas simulam as ligações C-H e C-D. O atrito diminui no material contendo maiores quantidades de D, devido ao menor acoplamento da ponta do microscópio com as vibrações (fônons) das ligações C-D quando comparadas com C-H. [Imagem: Saron Sales de Mello et al. - 10.1038/s41598-017-03046-8]

Aplicações práticas

O experimento sugere uma aplicação tecnológica óbvia: introduzir deutério na liga para melhorar as propriedades do DLC, criando um revestimento capaz de diminuir o desgaste das peças e aumentar a eficiência de mecanismos deslizantes.

O problema será o custo, já que a quantidade disponível de deutério é extremamente baixa: a água comum contém pouco mais de 150 átomos de deutério por milhão de átomos de hidrogênio.

"Mas, se considerarmos dispositivos nanométricos, que demandam uma quantidade mínima de material, o uso do deutério em películas protetoras não deve ser descartado," ponderou Alvarez. "Além disso, existem ideias alternativas, como a introdução de outros elementos, que poderiam, pelo mesmo princípio, diminuir o atrito do sistema a custos razoáveis."

Além disso, aplicações de ponta - como os motores dos carros de corrida - não costumam se impressionar muito com um aumento de custo se isso resultar em ganhos na casa dos centésimos de segundo.

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• Com informações da Agência Fapesp -  04/07/2017

Bibliografia:

On the phonon dissipation contribution to nanoscale friction by direct contact
Saron Sales de Mello, Marcelo E. H. Maia da Costa, Caren Machado Menezes, Carla Daniela Boeira, Fernando Lázaro Freire Jr., Fernando Alvarez, Carlos Alejandro Figueroa
Nature Scientific Reports
Vol.: 7, Article number: 3242
DOI: 10.1038/s41598-017-03046-8