Em um artigo recente em Avanços da Ciência , pesquisadores da Universidade de Amsterdã apresentam uma nova visão experimental de como a lubrificação funciona. Eles desenvolveram um novo método usando moléculas fluorescentes para observar diretamente filmes de lubrificação nanométrica com uma sensibilidade de uma única camada molecular. Sua descrição quantitativa da relação entre topografia, A pressão de contato e a lubrificação fornecem uma compreensão mais profunda da lubrificação.

O atrito e o desgaste são responsáveis ​​por uma grande fração do consumo mundial de energia e, portanto, contribuem enormemente para as emissões de gases de efeito estufa. Literalmente, todo objeto em movimento dissipa energia por meio do atrito. Exemplos com grande impacto econômico podem ser encontrados nos setores de transporte e energia:pense em um motor de combustão interna ou uma turbina a gás.

Para reduzir o atrito e o desgaste, os contatos deslizantes e giratórios são normalmente lubrificados. Por exemplo, em um motor de combustão interna, o óleo do motor atua como um lubrificante, impedindo o contato sólido sobre sólido entre o anel do pistão e a parede do cilindro, reduzindo o atrito e o desgaste nesta interface.

Camadas de lubrificante mais finas

Em geral, há uma tendência de camadas de lubrificação mais finas devido aos requisitos cada vez mais rígidos no uso de materiais, demandas por maior eficiência, e a necessidade de lubrificantes "mais verdes". Sob estas condições, a lubrificação bem-sucedida e a operação segura de longo prazo são cada vez mais sensíveis à topografia das superfícies lubrificadas. Embora muitos estudos em engenharia e física tenham levado a um alto nível de compreensão da lubrificação, em pequena escala, onde as camadas se desfazem, questões significativas ainda não foram respondidas. Um dos principais elos que faltam é uma visão experimental detalhada sobre a influência das especificações da topografia da superfície na transição entre os diferentes regimes de lubrificação. Em particular, há muita discussão sobre os fenômenos que ocorrem quando a espessura do filme de lubrificação abrange apenas algumas moléculas.

Ligando topografia de superfície com fenômenos de lubrificação

Estudos fundamentais, por exemplo, em forças de atrito usando Microscopia de Força Atômica, forneceram alguns insights. Contudo, uma vez que se referem à escala microscópica, sua relevância para os fenômenos macroscópicos é limitada. Por outro lado, estudar a interação entre lubrificação e topografia de superfície em uma escala macroscópica é muito desafiador, uma vez que a camada de lubrificação está enterrada entre dois sólidos e, portanto, é difícil de acessar experimentalmente.

Em seu papel em Avanços da Ciência , os pesquisadores agora apresentam os resultados de uma nova abordagem que permite a pesquisa fundamental em um nível macroscópico com resolução muito alta, ligando topografia de superfície com fenômenos de lubrificação. A pesquisa foi realizada no Instituto Van 't Hoff de Ciências Moleculares (HIMS) e no Instituto de Física (IOP) da Universidade de Amsterdã. Pesquisadores do Centro Holandês de Pesquisa Avançada para Nanolitografia (ARCNL), Universidade de Twente (Enschede, Holanda) e a Université Paris-Saclay (Paris, França) contribuíram para o estudo.

Sondas moleculares fluorescentes

No grupo ARCNL Contact Dynamics do Dr. Bart Weber, o foco está nos aspectos fundamentais de atrito e desgaste com relevância para os desafios de posicionamento em nanolitografia. Para a pesquisa agora publicada em Avanços da Ciência , o grupo juntou forças com o Prof. Fred Brouwer e o Prof. Daniel Bonn da University of Amsterdam, onde a primeira autora, Dra. Dina Petrova, obteve seu Ph.D. no início deste ano.

Os pesquisadores realizaram experimentos de fricção com um lubrificante muito especial inventado pelos co-autores franceses Dr. Clémence Allain e Prof. Pierre Audebert:um líquido puro que consiste em moléculas fluorescentes. Ao lubrificar o transparente, contatos de vidro sobre vidro com este líquido, os pesquisadores foram capazes de visualizar diretamente o filme lubrificante de apenas algumas moléculas de espessura. Após a excitação do líquido fluorescente através do vidro, eles mediram a intensidade de fluorescência local que é proporcional ao número de moléculas presentes na interface. Os resultados experimentais foram comparados com as previsões teóricas co-desenvolvidas pelo Prof. Kees Venner da Universidade de Twente.

Transição de vidro

Ao analisar quantitativamente a relação entre a topografia da superfície, a espessura da película lubrificante e o atrito, os pesquisadores mostram que o confinamento do lubrificante entre as superfícies deslizantes leva a uma transição vítrea, o que significa que o fluido se torna altamente viscoso e, portanto, resiste a ser espremido para fora da interface.

Contudo, o aumento da viscosidade nem sempre é suficiente para evitar a compressão. Na interface, existe uma competição entre a pressão e a viscosidade do lubrificante. A pressão interfacial depende da área de suporte de carga que é controlada pela topografia da superfície:quanto mais ásperas as duas superfícies, quanto menor a área de contato (potencial). Graças à configuração experimental, os pesquisadores foram capazes de descrever quantitativamente essa relação entre a topografia, pressão de contato e lubrificação. Os resultados, portanto, fornecem uma compreensão mais profunda de como a lubrificação funciona e podem ajudar a prever o comportamento de atrito em uma grande variedade de sistemas lubrificados com grande impacto social.