É uma noite sem lua. O vento uiva para fora. Uma porta se abre devagar, como se fosse empurrada por uma mão invisível.
“Cre-e-e-a-k.”
Esse som – um clichê de filmes de terror – é o resultado do atrito. Uma entrada mais furtiva pede lubrificação das dobradiças da porta.
O atrito está em toda parte – de um violinista fazendo uma corda até crianças escorregando por um escorregador. Na situação certa, a força onipresente pode ter grandes efeitos: intercalar as páginas de dois catálogos telefônicos, e o atrito entre as páginas manterá os livros juntos com tanta força que eles se tornarão fortes o suficiente para suspender um carro acima do solo.
Mas os cientistas não conseguem explicar completamente, na escala de átomos e moléculas, por que um par de materiais adere enquanto outro se move com facilidade. O extremo escorregadio do gelo, por exemplo, é um quebra-cabeça há mais de 160 anos. A multiplicidade de moléculas de água em uma superfície gelada cria um brilho que pode enviar um carro girando ou um tobogã de pingüins. Mas lidar com os detalhes de como essa superfície escorregadia surge das moléculas de água é surpreendentemente complicado.
Apesar de sua natureza cotidiana, “ainda não entendemos muito sobre atrito”, diz o engenheiro mecânico Ali Erdemir, do Argonne National Laboratory em Lemont, Illinois. Em seu nível mais básico, o atrito resulta das interações entre os átomos em dois. materiais que são colocados um contra o outro. Mas, diz Erdemir, “há uma desconexão” entre os processos de fricção em grande escala que podemos ver, sentir ou ouvir e as menores propriedades atômicas dos materiais que produzem esses comportamentos conhecidos.
Agora, examinando astutamente a astúcia dos átomos, os cientistas estão inventando novas técnicas para reduzir o atrito, indo além de superfícies escorregadias conhecidas como gelo, teflon e casca de banana de incontáveis ??piadas de comédia. Alguns cientistas descobriram maneiras de reduzir o atrito a níveis próximos de zero, uma propriedade conhecida como superlubricidade. Outros estão estudando efeitos quânticos que reduzem o atrito.
As acrobacias atômicas podem ajudar a tornar o atrito maior ou menor à vontade, uma habilidade útil, pois há momentos em que a fricção, uma força trabalhando contra o movimento de um objeto deslizante ou rolante, é útil. A força de atrito dos pneus no asfalto, por exemplo, permite que um carro gire sem girar. Mas o atrito também afeta a velocidade do carro, de modo que é necessária mais energia para manter o veículo em movimento.
Intervalo de atrito
Alguns materiais deslizam facilmente uns sobre os outros, enquanto outros exigem força extra para se moverem. Essa mobilidade é descrita por um número chamado coeficiente de atrito. Quanto mais escorregadio o par, menor o coeficiente. Os números abaixo são estimativas; valores exatos dependem das condições.
| Materiais deslizantes | Coeficiente de atrito |
| Dedo indicador na lixa | 1 |
| Pneus no pavimento seco | 1 |
| Pneus no pavimento molhado | 0,6 |
| Aço sobre aço 0.6 | 0,6 |
| Pneus no pavimento gelado | 0,2 |
| Casca de banana em linóleo | 0,07 |
| Aço em Teflon | 0,04 |
| Aço no gelo | 0,01 |
Fontes: D.R. Lide / CRC Handbook of Chemistry and Physics 2005; S. Müller et al / J. Dynamic Syst., Meas. e Controle 2003; M. Scherge et al / Lubrificantes 2018; A.V. Savescu et al / J. Appl. Biomech. 2008; K. Mabuchi et al / Tribologia Online 2012
Ganhar a habilidade de discutir o atrito pode ter consequências no mundo real. Estima-se que um terço da energia que alimenta carros que consomem combustíveis fósseis seja perdida por atrito, convertida em outras formas de energia como calor e som. O mesmo empecilho afeta quase todas as outras máquinas imagináveis, de modo que cerca de um quinto do consumo anual de energia do mundo vai para combater o atrito. Reduzir essas perdas significaria “enormes economias”, diz Erdemir.
Um verdadeiro arrastar
Os seres humanos estão mexendo com o atrito há séculos. Os antigos egípcios pareciam saber que derramar um pouco de água na areia tornava as pedras pesadas deslizantes na areia mais fácil – uma necessidade para a construção das pirâmides, disseram pesquisadores em 2014 na Physical Review Letters.
Leonardo da Vinci se interessou pelo atrito e analisou sistematicamente a força. Mais recentemente, os cientistas inventaram novos materiais com importantes propriedades de atrito, como o Teflon, criado em 1938, que permite que os ovos deslizem facilmente de uma frigideira para um prato.
Quando as superfícies se esfregam juntas, os átomos dos dois materiais se empurram, enviando pequenas ondas vibracionais chamadas fônons ondulando através dos materiais. Enquanto isso, ligações químicas entre as superfícies se formam e se quebram quando um material desliza ao longo do outro. Os átomos podem ser arrancados totalmente fora do lugar, raspando o material. Esse processo, conhecido como desgaste, explica por que o piso de seus tênis se esfrega com o tempo, deixando você com solas muito escorregadias para agarrar o pavimento.
O atrito pode desencadear ondas sonoras que podemos ouvir, como o arranhão de uma lixa grossa, o rangido de uma corrente de bicicleta grudenta ou, sim, os fãs de terror, uma porta rangendo. O atrito às vezes causa um acúmulo de carga elétrica, produzindo eletricidade estática que pode produzir um grande impacto, já que qualquer um que tenha tirado um suéter e tocado uma maçaneta de metal sabe disso.
Diferentes tipos de movimento têm diferentes quantidades de atrito. Um objeto estacionário requer mais força para superar o atrito do que aquele que já está em movimento. E os objetos rolantes têm menos atrito do que os deslizantes – prender as rodas de um carrinho de bebê faz com que ele fique parado a menos que você empurre com força suficiente para arrastar as rodas estacionárias pelo chão.
Escorregadia superpoderosa
A força de fricção é definida por um número conhecido como o coeficiente de atrito, que descreve a quantidade de força que deve ser exercida para mover um objeto em relação ao seu peso para um determinado par de materiais. Um coeficiente de fricção de 0 significa velejar suave ou nenhum atrito. Dependendo das condições, um patim de aço deslizando sobre o gelo pode ter um coeficiente de 0,01, enquanto o aço sobre o aço é mais de 10 vezes maior, em torno de 0,6. A reputação de escorregadio de cascas de banana é bem merecida: em um piso de linóleo, as capas lisas têm um coeficiente de atrito de cerca de 0,07. Pneus em uma estrada seca podem ter um coeficiente tão grande quanto 1, um valor que cai para cerca de 0,6 quando a estrada está molhada.
Os cientistas agora estão aproveitando a superlubricidade, o que torna os materiais mais escorregadios do que as cascas de gelo e banana. Pares de materiais com coeficiente abaixo de 0,01 são considerados superlúbricos. Um método de obtenção de superlubricidade depende da seleção cuidadosa da estrutura e orientação dos materiais de fricção. O objetivo é reduzir drasticamente o atrito de um tipo conhecido como movimento stick-slip, em que as superfícies deslizantes alternam entre estados em movimento e emperrados. Esse tipo de atrito é comum – é o que explica o som misterioso da porta rangendo, diz o físico Oded Hod, da Universidade de Tel Aviv.
Se você pudesse encolher até o tamanho de um átomo, veria que a superfície de uma folha de material liso e cristalino é uma série de colinas e vales em um padrão regular, a estrutura de átomos organizada em uma grade. Quando as superfícies deslizam umas pelas outras, os átomos de uma camada não querem que os elétrons se sobreponham aos da outra camada. “Os elétrons dizem: ‘Ei, fique longe do meu território’”, diz o físico teórico de matéria condensada Erio Tosatti, da Escola Internacional de Estudos Avançados, ou SISSA, em Trieste, Itália. Isso significa que os materiais podem ficar temporariamente bloqueados no lugar; quando os átomos são organizados como preferir, eles não querem sair de seus lugares confortáveis. Essa disputa leva a deslizamentos e paradas intermitentes, em vez de movimentos suaves.
As colinas e vales criados pelos átomos lembram uma caixa de ovos, com uma série regular de depressões onde cada ovo se encontra. Imagine tentar colocar duas caixas de ovos vazias umas sobre as outras, uma em cima da outra. Uma vez que as caixas cheguem ao local onde suas xícaras e sulcos se alinham perfeitamente, eles ficarão presos. Com um empurrão, eles deslizam até que as xícaras se encaixem novamente, e assim por diante, grudando e escorregando repetidamente. Em conjuntos de átomos, esse processo de deslizamento resulta em energia sendo convertida, não em movimento, mas em outras formas inúteis, como som ou calor.
Solução antiderrapante
Deslize duas caixas de ovos idênticas (à esquerda) uma sobre a outra e os sulcos e vales ficarão presos juntos, tornando-os mais difíceis de empurrar. Mas para caixas de ovos de diferentes orientações (meio) ou tamanhos (à direita), os picos não se interligam e deslizam mais facilmente. Quando esse princípio é aplicado na escala dos átomos, esse efeito pode reduzir drasticamente o atrito.
Agora imagine girando as caixas para que as xícaras e as saliências não fiquem mais alinhadas. Uma caixa deslizará ao longo do topo da outra, proporcionando um movimento mais suave. Essa ideia também funciona para átomos e é chamada superlubricidade estrutural. Dois materiais aderentes quando alinhados podem deslizar com facilidade quase sem fricção quando se esfregam em ângulo. Da mesma forma, considere duas caixas que são feitas para caber diferentes tipos de ovos – como ovos de galinha e ovos de pato. Os copos nas duas caixas serão espaçados a distâncias diferentes, já que os ovos maiores de pato precisam de mais espaço. Isso significa que as xícaras não ficarão exatamente alinhadas e não ficarão juntas, não importa como estejam orientadas. O mesmo vale para dois materiais com átomos diferentemente espaçados.
Previsto nas décadas de 1980 e 1990, a superlubricidade estrutural foi primeiramente detectada e relatada em 2004, quando pesquisadores mostraram que a facilidade com que um floco de grafite desliza sobre outra superfície de grafite dependia fortemente de sua orientação: Em certos ângulos de rotação, o atrito caiu para próximo de nada, a equipe observou na Physical Review Letters.
Mais recentemente, a superlubricidade estrutural apareceu no grafeno – uma folha de grafite com um único átomo de espessura. Uma fita de grafeno desliza com facilidade através de uma superfície de ouro, relataram cientistas em 2016 na Science. As fitas podem ter centenas de nanômetros de comprimento, formadas por milhares de átomos, mas “elas se movem com forças menores do que as necessárias para mover um único átomo”, diz o co-autor do estudo Ernst Meyer, físico da Universidade de Basileia na Suíça. “Isso é realmente incrível, se você ajustar tudo da maneira certa.”
Mas superlubricidade estrutural tende a exigir condições primitivas; sujeira ou manchas nos materiais vão estragar tudo. Assim, o efeito é geralmente demonstrado apenas no vácuo, com condições cuidadosamente controladas e superfícies especialmente preparadas. Por essas razões, a super-lubricidade estrutural foi inicialmente confinada a objetos que são melhor medidos em nanômetros, ou bilionésimos de metro, uma escala na qual tais imperfeições podem ser evitadas. Mas recentemente, os cientistas aprimoraram suas superpotências de superlubricidade.
Pesquisadores da China e de Israel encontraram superlubricidades com superfícies um milhão de vezes maiores em escalas de área – micrômetro. Quando a grafite deslizou sobre um composto de boro e nitrogênio, a combinação apresentou um coeficiente de atrito ultrabaixo, inferior a 0,00014, o grupo relatou em julho de 2018 na Nature Materials. Átomos dentro do composto, conhecido como nitreto de boro hexagonal, são dispostos em hexágonos, da mesma forma que os átomos de carbono em grafite. Mas os hexágonos nos dois materiais são de tamanhos diferentes, como caixas de ovos feitas para ovos de pato em comparação com ovos de galinha. E a fricção permaneceu baixa mesmo quando os testes não foram formados sob condições de vácuo, diz Hod, de Tel Aviv, coautor do estudo com Ming Ma, Quanshui Zheng e outros da Universidade de Tsinghua.
O próximo objetivo, diz Hod, é levar a superlubricidade estrutural a escalas milimétricas, a objetos que podemos ver e manter, mesmo que pequenos. Pequenas partes móveis desse tamanho são comuns, e tais reduções no atrito podem ser úteis em uma variedade de dispositivos, desde minúsculos componentes de computador até miniaturas de motores. “Pode ser na indústria médica, armazenamento de dados, relógios, satélites, o nome dele”, diz ele. Aumentar o tamanho até o próximo tamanho será um desafio, mas a Hod está trabalhando em ideias para chegar lá.
Juntar as peças
Jogar nanopartículas na mistura é uma maneira de saltar para escalas maiores. O cientista de materiais de Argonne, Anirudha Sumant, e seus colegas criaram lubrificantes baseados em pedaços de grafeno que se enrolam em torno de bolas minúsculas de diamante, formando rolos.
Os pesquisadores parearam o grafeno com um material chamado carbono tipo diamante, que é feito de átomos de carbono dispostos em um padrão irregular. Os dois materiais têm um desajuste de estrutura, sugerindo que eles podem exibir superlubricidade estrutural. Mas simplesmente deslizar o carbono tipo diamante contra uma superfície de grafeno resulta em um coeficiente de atrito de 0,04, que é baixo, mas não superlútrico.
A adição dos nanoscrolls de grafeno faz a diferença, formando um exército de pequenas superfícies escorregadias que trabalham coletivamente para manter as coisas em movimento. Com essa combinação, o coeficiente de atrito caiu precipitadamente, para 0,004, Sumant, Erdemir e colegas relataram em 2015 na Science. Sumant diz que está trabalhando em lubrificantes similares para a indústria, o que poderia ajudar dispositivos como turbinas eólicas a se movimentarem com mais liberdade e eficiência.
Disputa de atrito
Alguns cientistas estão usando seus estudos em escala atômica para controlar o atrito, ajustando-o para cima e para baixo conforme necessário. Este poder sobre o atrito, tornando uma superfície escorregadia ou áspera, como desejado, poderia ser útil como mais do que um truque de laboratório. Imagine pneus de carros que são aderentes quando você freada ou acelerada, mas suave quando você está navegando.
A física Jacqueline Krim e colegas estudaram a fricção entre uma fina camada de moléculas de oxigênio e uma superfície de níquel que as moléculas de oxigênio estavam presas. Ao vibrar a superfície de níquel e medir a facilidade com que o oxigênio deslizou sobre ela, os pesquisadores mediram o atrito. O experimento é um pouco como puxar uma toalha de mesa (o níquel) de debaixo de alguns pratos (o oxigênio). Se o atrito for muito alto, você quebra alguns pratos.
Então, usando campos magnéticos, os pesquisadores reorientaram as moléculas de oxigênio em forma de ovo para ficarem em suas extremidades. Essa reorientação diminuiu o atrito pela metade, informou a equipe em dezembro de 2018 em matéria condensada.
Os cientistas também esperam explorar efeitos ainda mais exóticos para reforçar o escorregadio. Cálculos teóricos dizem que a estranheza da mecânica quântica pode reduzir o atrito, Tosatti e seus colegas relataram em abril de 2018 nos Anais da Academia Nacional de Ciências. Um único átomo eletricamente carregado, um íon, arrastado pela superfície de um material, pode atravessar uma barreira intransponível, um processo conhecido como tunelamento quântico.
Túnel Quântico
Um átomo deslizando sobre uma superfície esburacada perde energia ao atrito ao atravessar as cristas (esquerda). Mas, graças à mecânica quântica, um átomo pode ser capaz de atravessar barreiras e reduzir o atrito (à direita).
Imagine uma única partícula atravessando uma caixa de ovos. Normalmente, a partícula teria que subir e descer cada xícara, exigindo energia suficiente para navegar naquela paisagem. Mas a mecânica quântica indica que uma partícula pode, ocasionalmente, pular para cima e para baixo e passar diretamente por uma xícara para outra, como se estivesse atravessando a caixa. Essa capacidade reduz o atrito.
Embora essa lubricidade quântica, como é chamada, ainda não tenha sido aproveitada no laboratório, Tosatti e seus colegas prevêem que seja possível demonstrar através de uma técnica estabelecida. Os cientistas usaram lasers para criar uma superfície simulada que imita os afundamentos e solavancos de um material. Arrastar íons frios pelo material simulado pode recriar o atrito e, possivelmente, seus efeitos quânticos.
Na busca por ajustar os materiais para ajustar o atrito, os cientistas têm feito progressos constantes, mas não é tão fácil estabelecer conexões diretas entre a física de grandes e pequenos. Em seu laboratório na North Carolina State University em Raleigh, Krim diz que pode ajustar propriedades atômicas de materiais e estudar o que acontece. Mas, em geral, os dois mundos são separados por uma floresta difícil de penetrar. “Há alguns rastros de pé que se conectaram”, diz ela. Mas “ainda há alguns bushwhacking” para fazer.
Esse pioneirismo poderia valer a pena. Aproveitar o poder dos materiais feitos quase sem fricção com base nos átomos dentro seria um divisor de águas, diz Erdemir. Com essa capacidade, diz ele, “podemos resolver os problemas de fricção do mundo”.
Dança no gelo
Para quebrar o problema persistente de por que o gelo é escorregadio, um grupo de pesquisadores conectou a dança das moléculas de água ao samba deslizante de um pedestre que encontra uma calçada gelada.
O folclore científico sustentou que a pressão de uma sola de sapato derrete o gelo e produz uma camada lubrificante de água, reduzindo a fricção e enviando a pessoa que usa o sapato em um passeio. Não é assim, diz Mischa Bonn, físico-químico do Instituto Max Planck de Pesquisa de Polímeros, em Mainz, Alemanha: “Em temperaturas bem abaixo do ponto de fusão do gelo,“ mesmo um elefante … empilhado em um salto ainda não exerceria pressão suficiente para derreter o gelo A ideia de que o calor da fricção de um objeto deslizante derrete o gelo também não se sustenta. O calor produzido é muito fraco, mostraram experimentos. “Você precisa de muito calor para derreter o gelo”, diz Bonn.
Outra teoria acaba por estar mais próxima da verdade. Um filme de moléculas de água móvel cobre a superfície do gelo, reduzindo o atrito, Bonn e seus colegas determinaram com base em simulações e experimentos relatados em maio de 2018 no Journal of Physical Chemistry Letters.
Talvez, sugerem os pesquisadores, essas moléculas soltas rolem por aí. Pisando em um remendo escorregadio é como tentar dançar em mármores; não há como conseguir uma posição.
A explicação também explica outra característica da água congelada: quando o gelo fica muito frio, ele perde o seu aspecto escorregadio. Isso acontece, dizem Bonn e seus colegas, porque as moléculas soltas são fixadas à superfície. Isso significa que há uma temperatura ideal para patinação no gelo que não é muito fria nem muito quente. Pelos cálculos da equipe, essa temperatura de Cachinhos Dourados deve ser de –7 ° Celsius (19 ° Fahrenheit). Essa é a mesma temperatura que as pistas de patinação de gelo tentam manter para as velocidades de patinação mais rápidas.
Essa história foi publicada na edição de 3 de agosto de 2019 do Science News com a manchete “Dando ao Friction the Slip: os cientistas analisam os processos atômicos para produzir materiais escorregadios”.
Publicado em 01/08/2019
Artigo original: https://www.sciencenews.org/article/scientists-seek-materials-defy-friction-atomic-level
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