O atrito é criado quando duas superfícies deslizam uma sobre a outra. Uma vez que isso consome energia adicional, este chamado atrito deslizante é considerado um aspecto enfadonho, mas inevitável, dos processos dinâmicos. Contudo, para colocar um objeto estacionário em movimento, seu atrito estático deve ser superado primeiro. Em colaboração com seus colegas italianos, pesquisadores da Universidade de Konstanz demonstraram como suprimir totalmente o atrito estático entre duas superfícies. Isso significa que mesmo uma força minúscula é suficiente para colocar os objetos em movimento. Especialmente em peças micromecânicas, onde apenas pequenas forças estão em jogo, um atrito estático que desaparece pode levar a níveis de eficiência enormemente aprimorados. Essas descobertas foram publicadas na edição atual do jornal online Revisão Física X ( PRX )
Para mover um bloco de madeira sobre uma mesa, é necessário puxá-lo. Quando Leonardo da Vinci examinou sistematicamente essa relação aparentemente simples há mais de 500 anos, ele descobriu as leis básicas do atrito deslizante. Uma vez que o atrito deslizante geralmente gera calor, deve-se puxar constantemente o pedaço de madeira para compensar as perdas por atrito. Contudo, para gerar movimento em primeiro lugar, não é o atrito deslizante, mas o atrito estático que deve ser superado. O atrito estático é normalmente maior do que o atrito deslizante e é resultado da estrutura atômica das superfícies de contato travando no lugar. As superfícies só podem se libertar e mover-se umas contra as outras quando a força aplicada atingir níveis adequados.
Trabalhando com físicos das Universidades de Milão e Trieste, um grupo de trabalho da Universidade de Konstanz liderado pelo professor Clemens Bechinger foi capaz de conduzir experimentos e simulações numéricas confirmando uma previsão feita pelo físico Serge Aubry na década de 1980:ele postulou que, se o espaçamento da rede entre as partículas em uma superfície fosse ligeiramente diferente do espaçamento da rede na outra, o atrito entre as duas superfícies deve desaparecer completamente. Espera-se mesmo que isso se aplique se as duas superfícies forem pressionadas uma contra a outra. Em termos práticos, isso significaria que uma força aleatoriamente pequena seria suficiente para mover um pedaço de madeira pesando toneladas em uma superfície.
Este efeito pode ser observado particularmente bem em contatos ideais, onde ambas as superfícies são perfeitamente planas uma contra a outra. São esses tipos de superfícies que Clemens Bechinger e sua equipe foram capazes de criar em um sistema de modelo:usando feixes de laser e esferas de vidro na faixa de mircometre, os chamados colóides, eles foram capazes de criar um modelo bidimensional de duas superfícies esfregando uma na outra. Uma vez que as esferas eletricamente carregadas se repelem, eles se posicionam em uma camada plana periodicamente ordenada. Esta monocamada colóide forma uma das duas superfícies. Os pesquisadores criaram a segunda superfície abaixo da camada de coloides usando três feixes de laser. Como resultado de sua superposição, um cristal de luz se forma, que é uma espécie de caixa ótica de ovos com reentrâncias e saliências. "Em comparação com superfícies reais, essas superfícies ópticas têm a vantagem adicional de serem totalmente transparentes, o que significa que podemos observar diretamente os processos em funcionamento entre eles usando um microscópio, "diz Thorsten Brazda, o pesquisador de doutorado que conduziu os experimentos no grupo de Bechinger para sua tese de doutorado.
Enquanto Aubry restringiu sua previsão a contatos unidimensionais em temperaturas de ponto zero, a colaboração de pesquisa foi capaz de provar que, contatos bidimensionais em temperatura ambiente também podem ser colocados em movimento sem atrito estático. "Conseguimos transformar a configuração unidimensional artificial de Aubry em uma situação realista e demonstrar que sua ideia permanece válida em sistemas bidimensionais e em temperaturas finitas, "Clemens Bechinger diz.
Observar os movimentos das partículas diretamente também permitiu aos pesquisadores entender o desaparecimento do atrito estático entre a monocamada coloidal e o cristal de luz:Acontece que a monocamada coloidal se torce levemente em relação à grade óptica. Dessa maneira, as partículas não travam nas reentrâncias do substrato, da qual não seria fácil escapar. Em vez de, alguns deles se posicionam em torno das cristas. Se for aplicada força externa, essas partículas não precisam escapar dos recessos, mas podem se mover imediatamente assim que uma quantidade mínima de força for exercida. O atrito estático desaparece.
Esses resultados, que estão em excelente concordância com as simulações numéricas realizadas pela equipe italiana, mostram que o atrito estático não pode ser apenas suprimido, mas também gerado conforme desejado se a pressão de contato entre as duas superfícies for aumentada. Isso é importante na medida em que o atrito estático - em contraste com o atrito de deslizamento - é frequentemente um fenômeno desejado. Ele nos permite agarrar objetos com segurança e garante que as rodas tenham aderência suficiente. Essa maneira de variar o atrito estático cria novas oportunidades para mover objetos facilmente pelas superfícies e travá-los no lugar com segurança. Isso seria uma grande vantagem em caixas de engrenagens ou acoplamentos micro e nanomecânicos, Desde a, aqui, normalmente, apenas forças muito pequenas estão em jogo.
