p O atrito resulta de um conjunto de processos complexos que atuam juntos para resistir ao movimento relativo. Apesar desta complexidade, o atrito é frequentemente descrito usando expressões fenomenológicas simples que relacionam as forças normais e laterais por meio do coeficiente de atrito. O parâmetro definido abrange vários, às vezes efeitos concorrentes. Para entender melhor as origens do atrito, Zhe Chen e uma equipe interdisciplinar de pesquisadores dos departamentos de engenharia química, a engenharia mecânica e a pesquisa de materiais estudaram uma interface bem definida química e topograficamente entre a sílica e o grafite usando uma configuração de borda escalonada de grafeno de camada única. p A equipe de pesquisa identificou as contribuições separadas dos processos físicos e químicos para o atrito e mostrou que um único coeficiente de atrito pode ser separado em dois termos correspondentes a esses efeitos. Os resultados forneceram uma visão sobre as origens químicas e topográficas do atrito como uma avenida de superfícies de ajuste, aproveitando os processos de fricção concorrentes. As descobertas agora são publicadas em Avanços da Ciência .

p O atrito ocorre na interface entre quaisquer duas superfícies sólidas em contato e movendo-se em diferentes velocidades ou direções. Uma vez que o atrito pode corresponder ao desperdício de energia, os cientistas usam o parâmetro para determinar a eficiência e a vida útil de todos os sistemas móveis, do biológico ao aeronáutico. Força de fricção ( F _f ) é muitas vezes linearmente proporcional à carga aplicada ( eu ) na microescala e na proporcionalidade dessa relação, conhecido como coeficiente de atrito (COF), é simbolizado por µ e expresso como Lei de Amonton.

p Forças adesivas (F _uma ) pode se tornar significativo em nanoescala para introduzir um termo adicional para mecanismos moleculares de tribologia em filmes finos. Embora a expressão seja fenomenologicamente simples e tenha valor em experimentos por décadas, os mecanismos reais de determinação da magnitude do COF são muito complicados. Os físicos haviam proposto anteriormente que o atrito tinha origens puramente físicas com processos químicos relacionados ocorrendo em superfícies deslizantes. Mas a interação no atrito observado é, até agora, apenas mal compreendida, uma vez que o atrito está tipicamente associado apenas ao desgaste da superfície. No presente trabalho, Portanto, Chen et al. usou uma interface bem definida química e topograficamente para identificar as contribuições dos processos físicos e químicos para o atrito sem levar em conta o desgaste da superfície para obter insights fundamentais sobre a origem do COF (coeficiente de atrito) freqüentemente relatado, mas mal compreendido.

p Os cientistas usaram um sistema modelo contendo uma sonda de microscopia de força atômica (AFM) feita de silício, conhecida como ponta de sílica, e uma superfície de grafite com uma borda de degrau de grafeno de camada única. O plano basal do grafite forneceu uma superfície plana quimicamente inerte e sem defeitos. A folha de grafeno exposta no topo era proporcional à camada subjacente, fornecer uma superfície topograficamente menos ondulada para testes de fricção. O sistema experimental continha uma borda de degrau de grafeno de camada única na superfície de grafite, para fornecer uma topografia bem definida com uma mudança de altura de 0,34 nm ao longo de uma distância correspondente a um comprimento de ligação química para formar uma etapa atômica. A equipe de pesquisa modelou o mesmo sistema usando simulações de dinâmica molecular reativa (MD), recriando o ápice da ponta de sílica nas camadas superiores de grafeno na grafite, perto da borda do degrau. Eles permitiram estudos computacionais e experimentais do cisalhamento interfacial de uma superfície de sílica em uma superfície atomicamente plana, e em um recurso bem definido quimicamente ou topograficamente na etapa, durante o estudo. O modelo experimental concordou com a simulação computacional para fornecer uma visão sobre as origens do atrito em nível atômico.

p Durante as medições da borda do degrau de grafeno com uma ponta AFM de sílica, a equipe de pesquisa obteve um COF de cerca de 0,1, próximo ao valor observado em várias superfícies sob testes de deformação elástica. Durante a redução na configuração com base na ponta AFM, Chen et al. observaram respostas de fricção mais complicadas nas quais a fricção flutuou durante as mudanças de altura topográfica. As mudanças observadas não corresponderam apenas à topografia, mas a equipe não conseguiu diferenciar os efeitos químicos e físicos no sistema. Para explorar essas origens, eles analisaram o atrito como uma função da carga e observaram a dependência da carga do atrito no terraço de grafite e na borda do degrau de grafeno de estudos experimentais e simulações. Os resultados confirmaram que as simulações forneceram percepções atômicas sobre os processos interfaciais de comportamentos de atrito complexos. Eles quantificaram o COF no sistema com o atrito de suporte de carga para isolar as contribuições químicas e físicas. A equipe de pesquisa usou as informações em escala atômica observadas nas simulações para uma visão adicional.

p Para quantificar as contribuições físicas para o atrito na simulação MD reativa, os cientistas usaram primeiro a tensão de cisalhamento da ponta de sílica. Eles então quantificaram as contribuições químicas usando o número de ligações de hidrogênio formadas entre a ponta de sílica e a superfície de grafite durante o experimento. Eles não observaram interações físicas ou químicas significativas quando a ponta de sílica deslizou através do plano basal de grafite, que eles usaram para explicar a superlubricidade experimental do COF calculado (~ 0,003) no estudo. Contudo, durante a intensificação atômica, os mecanismos físicos (deformação) e químicos (ligação de hidrogênio) aumentaram sinergicamente a resistência ao deslizamento, fazendo com que o COF se torne 100 vezes maior na intensificação atômica do que no plano basal da grafite. Os cientistas registraram observações semelhantes para a força resistiva de redução devido às interações de ligações de hidrogênio.

p Desta maneira, Zhe Chen e colegas de trabalho usaram simulações de COFs e MD juntos, para fornecer informações sobre as origens físicas e químicas do atrito. Eles alcançaram superlubricidade na configuração experimental quando a deformação induzida pela topografia e intertravamento, bem como a ligação química no plano de cisalhamento foram insignificantes. A equipe observou um grande atrito na configuração quando o degrau acima da borda do degrau de grafeno de 0,34 nm causou efeitos físicos combinados de topografia e efeitos químicos devido à ligação interfacial. Durante o movimento de redução nos experimentos, a mudança negativa da topografia produziu uma força para auxiliar o movimento de deslizamento, enquanto as ligações químicas entre as superfícies em movimento oposto produziram uma força resistiva. A equipe de pesquisa mostrou que equilibrar esses dois componentes poderia determinar se o atrito e o COF em um sistema experimental eram, em última análise, positivos ou negativos.

p Os resultados explicaram a dificuldade de alcançar a superlubricidade em superfícies atomicamente ásperas - a menos que as características da superfície topográfica fossem quimicamente inertes. No total, os resultados sugerem a possibilidade de ajustar o COF com características topográficas prescritas e grupos químicos pré-arranjados. Embora o conceito não melhore imediatamente as aplicações industriais de fricção, ele fornece uma visão fundamental para as origens químicas e topográficas do atrito e, portanto, é uma promessa significativa para futuros avanços científicos na redução da resistência em interfaces tribológicas. Chen et al. vislumbrar que o trabalho abrirá possibilidades de fricção ajustável em física aplicada. p © 2019 Science X Network