O desgaste da superfície descreve o processo de perda de material quando duas superfícies entram em contato uma com a outra. Tem economia significativa, consequências sociais e de saúde - considere as partículas finas emitidas por veículos em movimento. O que mais, pode ser observado em todos os níveis, da nanoescala até a escala das falhas tectônicas, com a formação de goiva. Existem vários mecanismos de desgaste, no entanto, o tipo de adesivo é o mais comum. Ocorre quando duas superfícies - como duas peças do mesmo metal - esfregam uma na outra e aderem.

Um dos parâmetros que influenciam o mecanismo de desgaste é a rugosidade da superfície. Uma melhor compreensão de como a rugosidade da superfície muda durante o processo de desgaste melhoraria nosso controle sobre esse mecanismo. Isso pode levar a reduções significativas no consumo de energia, emissões e custos de gases de efeito estufa.

Pesquisadores do Laboratório de Mecânica Sólida Computacional (LSMS) da EPFL deram um passo importante nessa direção. Eles simularam digitalmente como a rugosidade da superfície muda ao longo do tempo, e seus resultados estão de acordo com os resultados experimentais. O que diferencia suas simulações é a duração:usando um método desenvolvido na EPFL, os pesquisadores do LSMS foram capazes de simular esses mecanismos por um longo período de tempo. Em outras palavras, eles conseguiram capturar todo o processo - da geometria inicial à geometria fractal final. Suas descobertas foram publicadas em 8 de março em Nature Communications .

Este estudo é o terceiro dos pesquisadores do LSMS em desgaste de adesivos. Seu primeiro estudo - publicado em 2016 em Nature Communications - usou simulações digitais para descrever como o processo de desgaste do adesivo produziu partículas finas. Em 2017, levando suas simulações adiante, eles saíram com um segundo estudo, aparecendo desta vez em Proceedings of the National Academy of Science , demonstrando que era possível prever o volume, forma e tamanho dessas partículas.

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Os cientistas ainda estão longe de compreender totalmente a física subjacente ao desgaste, e os engenheiros ainda devem realizar experimentos ad hoc para cada situação. O que é conhecido, Contudo, é que as superfícies desgastadas exibem uma morfologia fractal característica, chamado auto-afim, que tem algumas propriedades fundamentais, independentemente do material e da escala. As origens dessa morfologia autoafim ainda são desconhecidas.

Pouco trabalho foi feito sobre como a rugosidade da superfície muda com o tempo - e foi principalmente experimental. Uma limitação dos experimentos é que, por causa dos detritos que se formam, não é fácil monitorar como a morfologia da superfície muda durante o processo de fricção. Os pesquisadores superaram esse problema por meio de suas simulações digitais, que fornecem um fluxo constante de dados.

Simulações digitais poderosas

"Usamos simulações de computador de alto desempenho para rastrear a mudança na morfologia da superfície em materiais 2-D, "diz Enrico Milanese, um Ph.D. aluno do LSMS. "Em nossas simulações, observamos que o contato entre duas superfícies sempre gera uma partícula de detritos de desgaste. Essa partícula é então forçada a rolar entre as duas superfícies, desgastando-os. Isso nos levou a concluir que os detritos de desgaste devem estar presentes para que as superfícies desenvolvam sua rugosidade autoafina característica. "

No futuro, os pesquisadores do LSMS esperam explorar as origens do desgaste adesivo aplicando sua abordagem de simulação a modelos 3-D de materiais que são de interesse da indústria.