Controle sobre o atrito, de pequena a grande escala
O atrito entre uma bola de silício e um wafer de silício foi medido na configuração experimental mostrada à esquerda. A nova pesquisa demonstra que existe uma relação direta entre dois efeitos:o número de ligações químicas silício-oxigênio-silício (Si-O-Si) que se formam entre as duas superfícies em pequena escala, por um lado, e a força de atrito medida em grandes escalas, por outro. Crédito:Liang Peng O atrito é difícil de prever e controlar, especialmente porque as superfícies que entram em contato raramente são perfeitamente planas. Novos experimentos demonstram que a quantidade de atrito entre duas superfícies de silício, mesmo em larga escala, é determinada pela formação e ruptura de ligações químicas microscópicas entre elas. Isto torna possível controlar a quantidade de atrito usando técnicas de química de superfície. Esta pesquisa foi publicada em Physical Review Letters .
“Há uma falta de compreensão quantitativa do atrito, apesar do seu papel crucial na abordagem de desafios tão diversos como a previsão de terremotos e a redução do consumo de energia em dispositivos mecânicos”, diz Ph.D. pesquisador Liang Peng, que conduziu o projeto de pesquisa. Isto não é pouca coisa:estima-se que o atrito seja responsável por mais de 20% do nosso consumo global de energia. O controle do atrito nas máquinas também é importante para reduzir o desgaste do material e aumentar a precisão do posicionamento.
Peng trabalhou em conjunto com outros pesquisadores do Instituto de Física e do Instituto Van 't Hoff de Ciências Moleculares da Universidade de Amsterdã, bem como do Centro de Pesquisa Avançada para Nanolitografia (ARCNL). A pesquisa faz parte de uma colaboração contínua para investigar como o atrito em grande escala surge em nível microscópico.
Nos últimos anos, novos métodos de pesquisa permitiram aos pesquisadores ampliar o que acontece exatamente quando duas superfícies entram em contato e deslizam uma sobre a outra. Crucialmente, as superfícies nunca são perfeitamente lisas. Na escala de um nanômetro, um bilionésimo do tamanho de um metro, parecem paisagens montanhosas com picos e vales pronunciados.
Experimentos anteriores e simulações numéricas demonstraram que, nesta pequena escala, o atrito é amplamente determinado pela formação e ruptura de ligações entre os átomos da superfície. Isto é afetado não apenas pela rugosidade das superfícies deslizantes, mas também pelos átomos ou moléculas (como a água) presentes na interface.
“Decidimos estender e aplicar esses mecanismos de nanofricção a escalas maiores e industrialmente relevantes”, explica Peng. Usando um instrumento especial chamado reômetro, os pesquisadores estudaram como a quantidade de atrito entre uma bola de silício relativamente áspera e uma pastilha de silício lisa depende da densidade das ligações químicas microscópicas na interface. O silício (Si) é um material particularmente interessante para estudar graças ao seu amplo uso na indústria de semicondutores. Sua abundância na crosta terrestre também o torna relevante para o estudo de terremotos.
Depois de limpar as superfícies dos contaminantes, os pesquisadores descobriram que é necessária muito menos força para deslizar a bola sobre o wafer – em outras palavras, há menos atrito – quando as superfícies são secas por mais tempo em gás nitrogênio puro. Outras experiências mostraram o que acontece ao nível dos átomos:uma secagem mais longa reduz o número de grupos hidroxila (OH) expostos na superfície do silício. Quando colocados em contato com outra superfície de silício, a presença desses grupos resulta na formação de ligações silício-oxigênio-silício (Si-O-Si) entre as duas superfícies.
A pesquisa demonstra que existe uma relação impressionante entre a força de atrito medida em larga escala e a densidade de grupos microscópicos Si-OH presentes nas duas superfícies de silício antes do contato, o que controla o número de ligações Si-O-Si feitas durante o contato. A densidade destas ligações químicas é regulada definindo o período de tempo durante o qual as superfícies limpas são secas. Curiosamente, isso significa que é possível prever e controlar a força de atrito entre as superfícies de silício.
"Nosso resultado é bastante notável porque demonstra uma compreensão quantitativa do atrito macroscópico a partir dos primeiros princípios. Nossas descobertas podem, assim, preencher a lacuna de conhecimento que dificulta o controle sobre o atrito baseado na compreensão", conclui Liang.
Mais informações: Liang Peng et al, Controlling Macroscopic Friction through Interfacial Siloxane Bonding, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.226201 Informações do diário: Cartas de revisão física
