As limitações tecnológicas dificultaram o estudo do atrito na escala atômica, mas pesquisadores da Universidade da Pensilvânia e da Universidade da Califórnia, Merced, já avançaram nessa busca em duas frentes.

Ao acelerar um microscópio de força atômica real e desacelerar a simulação de um, a equipe conduziu os primeiros experimentos em escala atômica sobre atrito em velocidades sobrepostas.

O estudo foi conduzido pelo estudante de graduação Xin-Zhou Liu e pelo professor e chefe de departamento Robert Carpick, ambos do Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn, e Ashlie Martini, professor associado da Escola de Engenharia da UC Merced, com Zhijiang Ye, um estudante de graduação na UC Merced. Yalin Dong, um ex-membro do grupo de pesquisa de Martini, e Philip Egberts, em seguida, um membro do grupo de pesquisa de Carpick, também contribuiu com a pesquisa.

Seu estudo foi publicado em Cartas de revisão física .

Um fenômeno conhecido como "atrito stick-slip" está frequentemente envolvido no deslizamento tanto na escala macro quanto na atômica. A resistência associada ao atrito é o produto de pontos atômicos de contato entre dois objetos temporariamente colados, onde permanecem até que a força aplicada forneça energia elástica suficiente para que esses pontos se quebrem. Esses pontos então escorregam e deslizam até ficarem presos novamente. Na escala atômica, pontos de aderência ocorrem para cada conjunto de átomos repetidos ao longo da direção de deslizamento.

Estudar as interações atômicas que estão por trás do atrito stick-slip é inerentemente difícil, pois os pontos de contato são obscurecidos por estarem nivelados um com o outro. Para contornar este problema, pesquisadores de fricção costumam usar a ponta de um microscópio de força atômica, ou AFM, um instrumento ultrassensível capaz de medir forças de nanonewton, como um dos pontos de contato. Uma vez que uma ponta de AFM funciona como uma agulha de registro, os pesquisadores podem medir a fricção que a ponta experimenta enquanto é arrastada sobre a superfície. Os pesquisadores de fricção também usam simulações, que pode modelar a dinâmica de todos os átomos individuais.

"Uma abordagem poderosa é combinar experimentos com simulações, "Liu disse, "Mas o maior problema de fazer isso no passado foi que as velocidades de deslizamento em que os experimentos e as simulações são realizados não coincidem."

A qualidade das medições em um experimento AFM depende do isolamento da ponta de quaisquer vibrações perdidas, então, tradicionalmente, os pesquisadores arrastam a ponta muito lentamente, movendo-se cerca de um micrômetro por segundo no mais rápido. Para combinar este experimento em uma simulação, os átomos individuais da ponta e da superfície são modelados em um computador, e a ponta virtual é arrastada à mesma distância que a ponta AFM real.

Isso apresenta um problema, Contudo, Porque, para capturar o impacto que os átomos individuais têm, cada quadro nas simulações deve ser calculado em etapas de femtossegundos. Um computador processando um milhão de passos por segundo precisaria de cerca de 30 anos para simular a velocidade real do micrômetro por segundo do experimento AFM.

"Isso significa obter a mesma distância em um período menor de tempo, precisamos mudar muito a ponta do modelo, muito mais rapido, "disse Martini.

Com a velocidade de deslizamento das pontas virtuais começando um milhão de vezes mais rápido do que as físicas, os pesquisadores resolveram se encontrar no meio. O contingente da UC Merced trabalhou para desacelerar a ponta em suas simulações, enquanto seus colegas da Penn desenvolveram maneiras de acelerar seus experimentos físicos.

Como os motores tradicionais não podem mover pontas de AFM com a precisão nanoscópica necessária para seus experimentos, a ponta e o cantilever em que está montado são acionados por uma placa piezoelétrica. A camada superior deste tipo de placa muda lateralmente para longe da camada inferior quando uma certa voltagem é aplicada, empurrando o cantilever e a ponta através de uma superfície de amostra.

"Para a resolução necessária para nosso estudo de atrito atômico, o scanner dentro de um AFM comercial pode atingir apenas algumas centenas de nanômetros por segundo, "Carpick disse." Essa é uma limitação intrínseca do instrumento; se você ultrapassar a velocidade máxima, você obtém grandes oscilações em seu sinal. Nossa solução foi fazer uma placa piezoelétrica de cisalhamento muito compacta e usá-la para mover a amostra em vez da ponta. "

Movendo a amostra, uma fina película de ouro revestida em uma matriz de silício, em vez da ponta acionada por um scanner muito mais pesado, a equipe da Penn foi capaz de aumentar radicalmente a velocidade geral do experimento. Com menor massa, a placa menor pode se mover mais rápido sem causar oscilações ruidosas.

"O movimento relativo é o mesmo, "Liu disse, "mas isso significa que podemos ir mil vezes mais rápido do que antes, mantendo a resolução de que precisamos. Tivemos que adicionar eletrônicos inteiramente novos para capturar os dados, já que ninguém precisou gravá-los tão rápido antes."

Enquanto a equipe da Penn estava acelerando seus sistemas, a equipe da UC Merced os estava retardando. Os pesquisadores aproveitaram os períodos relativamente longos de inatividade em que a ponta ficou presa, esperando que energia suficiente deslize para frente. Parte dessa energia é fornecida pelo movimento relativo da amostra contra a ponta, mas as vibrações aleatórias dos átomos envolvidos, resultante da energia térmica, pode fazer a transição deslizante ocorrer mais rápido ou mais lento.

"Reconhecendo isso, "Martini disse, "nos dá a capacidade de usar um conjunto de ferramentas de simulação para os chamados 'sistemas de eventos raros'. Essas são ferramentas para fazer com que esses eventos infrequentes aconteçam mais rapidamente, preservando a física subjacente. "

Usando uma técnica conhecida como "dinâmica de réplica paralela, "O grupo de Martini usou o fato de que a probabilidade de um desses eventos infrequentes ocorrer é a mesma se uma simulação foi executada por mil femtossegundos ou mil simulações foram executadas por um femtossegundo cada. Rodando simulações idênticas em tantos processadores quanto possível, os pesquisadores parariam todos eles assim que uma ponta virtual escorregasse, em seguida, sincronize as simulações nesse ponto e inicie-as novamente.

"Isso nos permite aumentar efetivamente a duração da simulação paralelizando-a no tempo, "disse Martini." Você está aumentando o tempo de simulação e, portanto, diminuindo a velocidade de ponta do modelo em um fator de quantos processadores você tem. "

Ao combinar as velocidades de ponta nos experimentos físicos e virtuais, os pesquisadores foram capazes de demonstrar uma diferença até então teórica entre a macroescala e a fricção atômica de stick-stick. A velocidade normalmente não influencia a quantidade de objetos de fricção em macroescala encontrados, mas na escala atômica, a vibração de átomos individuais devido à energia térmica pode desempenhar um papel. Os pesquisadores mostraram que essas vibrações neutralizam o atrito, ajudando a ponta a deslizar para a frente, mas apenas até certo ponto. Em velocidades rápidas o suficiente, a ponta não está presa o tempo suficiente para receber um "impulso" da energia térmica.

"É importante investigar e compreender o efeito do atrito nas velocidades de nosso experimento, "Liu disse, "já que estão muito mais próximos de nossos aplicativos de engenharia atuais e futuros, como dispositivos micro e nanomecânicos, experimentará do que o que normalmente podemos fazer com um microscópio de força atômica. "

"Este estudo, "Carpick disse, "agora abre muitas possibilidades para usar todos os insights atômicos disponíveis em simulações atomísticas para interpretar de forma confiável os resultados de estudos experimentais. Estamos otimistas de que isso acabará por levar a insights gerais e práticos para entender, controlar e reduzir o atrito e o desgaste. "