Na física, é útil saber com a maior precisão possível como surgem os fenômenos de atrito - e não apenas na escala macroscópica, como na engenharia mecânica, mas também na escala microscópica, em áreas como biologia e nanotecnologia. É muito difícil estudar o atrito na escala do átomo, onde prevalecem os efeitos não lineares.

Cientistas do Instituto QUEST do Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) apresentaram agora um sistema modelo que permite a investigação de efeitos de atrito em escala atômica e dinâmica de atrito que são semelhantes aos que ocorrem em proteínas, Fitas de DNA e outros nanocontatos deformáveis. Este sistema modelo consiste em íons resfriados a laser que se organizam em cristais de Coulomb. Os pesquisadores realizaram experimentos e simulações numéricas e obtiveram novas descobertas fundamentais sobre os processos de fricção nesses sistemas atômicos. Eles já apresentaram seus resultados na revista científica Nature Communications .

A maioria dos objetos macroscópicos tem uma textura áspera do ponto de vista atômico. Mesmo que pareçam suaves ao toque, eles exibem asperezas. Estritamente falando, dois objetos nunca ficam diretamente em cima um do outro, mas apenas se tocam nessas asperezas. A estrutura da rede atômica, portanto, não desempenha nenhum papel nesta interação. Isso é bem diferente para objetos na escala atômica, como nanomáquinas ou biomoléculas. "Aqui, superfícies atomicamente lisas se tocam. A superfície, portanto, também desempenha um papel e deve ser levada em consideração nos cálculos do modelo, "explica a física PTB Tanja E. Mehlstäubler." Esses modelos também explicam fenômenos fascinantes, como a superlubricidade, onde o atrito estático se torna quase inexistente. Ocorre quando duas superfícies cristalinas são incomensuráveis ​​uma à outra. Isso significa que a proporção dos espaçamentos da rede das superfícies deslizantes é irracional. Isso leva a que não haja nenhum lugar onde as duas superfícies sejam uma correspondência exata uma da outra. "

Existem, portanto, razões suficientes para medir com precisão o atrito em nanoescala e investigar sua dinâmica. Já existe um poderoso instrumento para medir o atrito, o microscópio de força de atrito. "O acesso experimental direto à dinâmica de um sistema de fricção é quase impossível. Sistemas modelo nos quais os átomos são facilmente controlados - tanto temporal quanto espacialmente - são, portanto, indispensáveis. Isso nos permite investigá-los, "explica Mehlstäubler. Tal sistema já foi apresentado pelos cientistas do PTB, junto com seus parceiros de Sydney. Os íons de itérbio mantidos em uma armadilha de íons são resfriados por meio de lasers a tal ponto (até alguns milikelvins) que formam um cristal que consiste em duas cadeias. Os íons se organizam de maneira que o vizinho mais próximo esteja sempre o mais longe possível. Essa estrutura é chamada de ziguezague.

Duas dessas cadeias de íons são uma representação muito precisa dos dois parceiros de um processo de fricção - e são fáceis de observar com muita precisão. Quando os íons de itérbio são irradiados com luz cuja frequência está próxima de sua frequência de ressonância, eles começam a ficar fluorescentes. "Assim, somos capazes de observar as partículas atômicas individuais em seu movimento por meio de nossa óptica de imagem, "acrescenta Jan Kiethe, físico do PTB e principal autor do estudo. Uma transição entre duas fases diferentes, que foi causado pela presença de um defeito de rede estrutural, foi observado e analisado aqui. Em um dos regimes, o atrito estático é o principal ator na dinâmica do transporte; no outro regime, é o atrito deslizante.

A dinâmica das cadeias de íons são comparáveis ​​às de cadeias de moléculas como o DNA. Em seu estudo, os cientistas criaram um sistema de modelo físico para investigar a complexa dinâmica de atrito em 1-D, Sistemas 2-D e 3-D com precisão atômica. Além disso, este sistema modelo abriu caminho para a investigação de fenômenos de transporte no regime quântico.