Os pesquisadores da Skoltech explicaram por que o atrito muito fraco obedece a leis diferentes daquelas que regem o atrito regular como o conhecemos na física escolar. Entre outras características inesperadas e contra-intuitivas, as leis de fricção alternativas formuladas pela equipa revelam porque é que o aumento do peso de um corpo que desliza ao longo de uma superfície não provoca necessariamente maior fricção.



Compreender como funciona o atrito no nível microscópico poderia abrir caminho para controlar e explorar o atrito ultrabaixo em numerosos mecanismos que economizariam enormes quantidades de energia em todo o mundo. Os pesquisadores relatam suas descobertas em Physical Review Letters .

Até certo ponto, todos têm uma noção intuitiva da chamada lei de atrito de Amontons-Coulomb, cujas manifestações observamos rotineiramente na vida cotidiana. Formulado há mais de 300 anos, diz que o atrito, que surge, por exemplo, quando se arrasta um corpo pesado pelo chão, aumenta com o peso do corpo. Diz-se que os dois valores – a força de atrito e o peso do corpo – são diretamente proporcionais um ao outro.

“Surpreendentemente, esta lei não se aplica à superlubricidade, o caso de atrito extremamente baixo”, diz Nikolay Brilliantov, professor da Skoltech, investigador principal do estudo.

"O atrito superlúbrico, que é muito menor do que o atrito convencional, não depende do peso do corpo, para colocá-lo em termos simples. Você pode aumentar o peso do corpo milhares de vezes - digamos, de um quilograma para algumas toneladas —mas o atrito não mudará, permanecendo tão pequeno quanto para 1 quilograma. Este fenômeno é realmente intrigante e exige uma explicação."

Existem algumas outras características surpreendentes da superlubricidade, como a dependência incomum da força de atrito na velocidade de deslizamento, temperatura e área de contato – tudo isso vai contra as leis convencionais de Amontons-Coulomb.

Uma equipe de pesquisadores da Skoltech liderada por Brilliantov resolveu o enigma da superlubricidade. Eles realizaram um estudo complexo, com experimentos conduzidos pelo grupo do professor Albert Nasibulin, simulações numéricas conduzidas pelo cientista pesquisador Alexey Tsukanov do grupo de Brilliantov, e a conceituação teórica do fenômeno fornecida pelo próprio Brilliantov.

A equipe explicou o mecanismo atomístico por trás da intrigante independência da força de atrito do peso do corpo deslizante (da “carga normal”, em termos científicos) e formulou leis de atrito alternativas para a superlubricidade. Eles descrevem bem o fenômeno, mas contrastam fortemente com as leis de Amontons-Coulomb.

Em termos simples, os efeitos intrigantes podem ser explicados da seguinte forma. A superlubricidade está associada a superfícies muito lisas, até o nível atômico – como a superfície do material à base de carbono, o grafeno. Além disso, o contacto das duas superfícies deve ser incomensurável. Isso significa que a rugosidade em nível atômico (também chamada de ondulação) das duas superfícies não deve ser mutuamente coerente.

Em outras palavras, as “colinas” potenciais de uma superfície não deveriam caber nos “poços” potenciais da outra. Se as “colinas” e os “poços” se encaixarem, as duas superfícies se encaixam e é necessária uma força considerável para fazê-las deslizar. Superfícies incomensuráveis, por outro lado, não travam e, portanto, deslizam facilmente.

Ainda assim, pode surgir atrito devido a flutuações térmicas. As flutuações fora do plano das superfícies em contato aumentam visivelmente a sua rugosidade em nível atômico, o que dificulta o movimento relativo das duas superfícies.

Os investigadores da Skoltech demonstraram, no entanto, que nem todas as flutuações térmicas são importantes – apenas aquelas que estão em sincronia, quando as duas superfícies se dobram simultaneamente, permanecendo em contacto estreito. Tais flutuações requerem energia mínima e não dependem da carga normal, ou seja, do peso do corpo deslizante. Isso explica porque o atrito é independente do peso. Além disso, o deslizamento relativo das superfícies impulsiona essas flutuações síncronas – as “rugas superficiais” – na direção do movimento com a velocidade de deslizamento.

Tal acionamento requer energia, que se dissipa na maior parte do material na forma de calor, resultando em uma força de atrito dissipativa proporcional à velocidade.

Quanto maior for a temperatura das superfícies, maior será a amplitude das flutuações síncronas. Quanto maior a área de contato, maior o número de flutuações superficiais que dificultam o movimento relativo. A análise quantitativa desses efeitos produz as respectivas leis da superlubricidade relatadas no artigo.

Mais informações: Nikolay V. Brilliantov et al, Mecanismo Atomístico de Independência da Força de Fricção na Carga Normal e Outras Leis de Fricção para Superlubricidade Estrutural Dinâmica, Cartas de Revisão Física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.266201
Informações do diário: Cartas de revisão física

Fornecido pelo Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia