p (Phys.org) - O desgaste é um fato da vida. À medida que as superfícies esfregam uma na outra, eles se quebram e perdem sua forma original. Com menos material para começar e funcionalidade que muitas vezes depende criticamente da forma e da estrutura da superfície, o desgaste afeta os objetos em nanoescala mais fortemente do que suas contrapartes em macroescala. p Pior, os mecanismos por trás dos processos de desgaste são mais bem compreendidos por coisas como motores de automóveis do que por dispositivos nanotecnológicos. Mas agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia demonstraram experimentalmente um dos mecanismos por trás do desgaste em menor escala:a transferência de material, átomo por átomo, de uma superfície para outra.

p A pesquisa foi conduzida por Tevis Jacobs, um aluno de doutorado no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, e Robert Carpick, chefe do departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada.

p Sua pesquisa foi publicada na revista Nature Nanotechnology .

p Na nanoescala, o desgaste é compreendido principalmente por meio de dois processos, fratura e deformação plástica. Fratura é onde grandes pedaços de uma superfície se quebram de uma vez, como quando a ponta de um lápis se solta no meio de uma frase. A deformação plástica é o que acontece quando a superfície muda de forma ou se comprime sem quebrar, como quando o fio da faca fica cego ou torto.

p Esses mecanismos normalmente afetam milhares ou milhões de átomos por vez, ao passo que o desgaste em nanoescala geralmente ocorre por meio de um processo muito mais gradual. Determinar os mecanismos por trás desse processo mais gradual é a chave para melhorar esses dispositivos.

p "Na nanoescala, o desgaste é um problema muito significativo, "Jacobs diz." A nanotecnologia está desenvolvendo peças cada vez menores para máquinas muito pequenas. Suas interfaces de contato se desgastam muito rapidamente, às vezes sobrevivendo por centenas de ciclos quando precisam sobreviver por trilhões ou mais. "

p Um mecanismo de desgaste que foi hipotetizado para a nanoescala é um processo conhecido como atrito atômico. Lá, átomos de uma superfície são transferidos para a outra superfície por meio de uma série de reações químicas individuais de formação e quebra de ligações. Outros pesquisadores tentaram testar esse processo colocando duas superfícies em contato e deslizando uma contra a outra.

p Essas investigações anteriores envolveram microscópios de força atômica. Usar um AFM envolve arrastar uma ponta muito afiada montada em um cantilever flexível sobre uma superfície enquanto um laser direcionado ao cantilever mede com precisão o quanto a ponta se move. Usando a ponta como uma das superfícies em um experimento de desgaste, os pesquisadores podem controlar com precisão a distância de deslizamento, velocidade de deslizamento e carga no contato. Mas o AFM não visualiza o experimento; o volume de átomos perdidos pela ponta só pode ser inferido ou examinado após o fato, e os mecanismos de desgaste concorrentes, fratura e deformação plástica não podem ser descartadas.

p A descoberta da equipe da Penn foi conduzir experimentos de desgaste no estilo AFM dentro de um microscópio eletrônico de transmissão, ou TEM, que passa um feixe de elétrons através de uma amostra (neste caso, a ponta em nanoescala) para gerar uma imagem da amostra, ampliado em mais de 100, 000 vezes.

p Ao modificar um instrumento de teste mecânico comercial que funciona dentro de um TEM, os pesquisadores conseguiram deslizar uma superfície plana de diamante contra a ponta de silício de uma sonda AFM. Colocando o conjunto sonda-cantilever dentro do TEM e executando o experimento de desgaste lá, eles foram capazes de medir simultaneamente a distância que a ponta deslizou, a força com a qual ele contatou o diamante e o volume de átomos removidos em cada intervalo de deslizamento.

p "Podemos assistir todo o processo ao vivo para ver o que acontece enquanto as superfícies estão em contato, "Jacobs disse." Então, depois de cada passagem, usamos o TEM como uma câmera e tiramos uma foto com uma ampliação ainda maior da ponta. Podemos traçar seu contorno e ver quanto volume foi perdido, até 25 nanômetros quadrados, ou cerca de 1250 átomos.

p "Estamos medindo mudanças no volume que são mil vezes menores do que as que podem ser vistas usando outras técnicas de detecção de desgaste."

p Embora este novo método de microscopia não consiga imagens de átomos individuais movendo-se da ponta de silício para o punção de diamante, permitiu aos pesquisadores ver a estrutura atômica da ponta de desgaste bem o suficiente para descartar fratura e deformação plástica como o mecanismo por trás do desgaste da ponta. Provar que os átomos de silício da ponta estavam se ligando ao diamante e depois ficando para trás envolvia a combinação dos dados visuais e de força em um teste matemático.

p "Se o atrito atômico é o que está acontecendo, "Carpick disse, "então, a taxa na qual essas ligações são formadas e a dependência da tensão de contato - a força por unidade de área - é uma ciência bem estabelecida. Isso significa que podemos aplicar a cinética química, ou teoria da taxa de reação, para o processo de desgaste. "

p Agora que eles puderam medir o volume de átomos removidos, a distância que a ponta deslizou e a força de contato para cada teste experimental, os pesquisadores puderam calcular a taxa na qual as ligações silício-diamante se formam em diferentes condições e comparar isso com as previsões baseadas na teoria da taxa de reação, uma teoria que é usada rotineiramente em química.

p "Quanto mais força os átomos estão sob, é mais provável que formem uma ligação com um átomo na superfície oposta, portanto, a taxa de desgaste deve acelerar exponencialmente com estresse adicional, "Jacobs disse." Ver isso nos dados experimentais foi uma arma fumegante. A tendência nos dados implica que podemos prever a taxa de desgaste da ponta, sabendo apenas os níveis de estresse no contato, contanto que esse mecanismo de desgaste seja dominante. "

p Por enquanto, essas previsões só podem ser feitas sobre o desgaste do silício no diamante no vácuo, embora a seleção desses dois materiais não tenha sido acidental. Eles são comuns em dispositivos e ferramentas em nanoescala para nanofabricação.

p A matemática por trás do mecanismo de atrito atômico poderia eventualmente ser aplicada de uma maneira fundamental.

p “O objetivo desta via de pesquisa é chegar ao ponto em que você me diga os materiais em contato, e você me diz o período em que eles estão em contato e as tensões aplicadas e eu poderei dizer a taxa na qual os átomos serão removidos, "Jacobs disse.

p "Com uma compreensão fundamental do desgaste, você pode projetar superfícies de forma inteligente e escolher materiais para fazer dispositivos mais duradouros, "Carpick disse.

p Este fundamental, a compreensão predicativa do desgaste pode melhorar muito o design nanomecânico, aumentando a funcionalidade e diminuindo os custos.