p Se você ao menos se preocupar em pensar sobre o atrito, você pode pensar em esfregar as mãos para aquecê-las. p Mas o atrito é um grande problema no mundo. As peças que esfregam umas nas outras se desgastam. As máquinas podem usar mais energia do que deveriam. Também não é trivial:cerca de 23% do consumo mundial de energia se deve ao atrito.

p Isso tem os pesquisadores em busca de maneiras de descobrir como o atrito realmente funciona, no nível da nanoescala, para que eles possam projetar lubrificantes e outras maneiras de reduzi-lo.

p O problema é, o atrito é extremamente difícil de descrever usando um modelo. Um dos modelos matemáticos mais usados ​​para o atrito em nanoescala foi proposto pela primeira vez em 1929, e continua a ser usado porque é bastante geral. Mas quando esse modelo é usado para olhar para situações mais detalhadas, não funciona muito bem.

p Agora, dois pesquisadores da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia (NTNU) propuseram um ajuste a esse modelo que melhora sua capacidade de descrever as tendências de como o atrito funciona para materiais em camadas como o grafeno em nanoescala. Seus resultados foram publicados em Nature Communications .

p Uma superfície irregular de átomos

p Antes que você possa entender o que os pesquisadores fizeram, primeiro você tem que entender como os pesquisadores visualizam o atrito.

p Uma superfície pode parecer lisa, mas sob um microscópio poderoso, a superfície claramente tem saliências. Então, quando os pesquisadores querem usar um modelo matemático para explicar o atrito, eles incluem essa superfície irregular em seus cálculos.

p "Quando dizemos atrito, as pessoas podem pensar em tentar empurrar uma caixa sobre uma superfície, "disse David Andersson, um Ph.D. no Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial da NTNU que foi o primeiro autor do artigo. "Mas se você quiser entender de onde vem o atrito, é realmente do contato entre os átomos. "

p O atrito é então descrito como a força necessária para puxar uma ponta através dessa superfície atômica acidentada. É essencialmente assim que o modelo de Prandtl-Tomlinson para atrito, publicado pela primeira vez em 1929, descreve isso. E uma das principais características que o modelo descreve é ​​algo que acontece quando essa ponta é puxada pela superfície irregular:ela pode grudar e, de repente, escorregar.

p Na verdade, esse tipo de comportamento de travamento e deslizamento entre duas superfícies é até mesmo visível em escala macro - é o que acontece em uma escala geológica quando duas placas tectônicas se movem uma após a outra. Pessoas em zonas sismicamente ativas experimentam o deslizamento das placas como um terremoto.

p O quebra-cabeça de materiais bidimensionais

p O grafeno como aditivo para lubrificantes está em uso há quase dois séculos, mas foi apenas há cerca de uma década que os pesquisadores começaram a estudá-lo em detalhes e outros materiais bidimensionais semelhantes. O grafeno é uma camada de carbono com apenas um átomo de espessura. Pode ser uma coisa muito escorregadia.

p Quando os pesquisadores começaram a fazer experiências com camadas de grafeno e como isso afetou o atrito entre as superfícies, eles descobriram algo estranho, Andersson e seu co-autor e supervisor Astrid de Wijn disse.

p Os pesquisadores descobriram que o atrito depende do número de camadas, o que os pesquisadores descobriram ser uma forma surpreendente:era maior para folhas de grafeno de camada única e diminuía com o aumento do número de camadas. O modelo Prandtl-Tomlinson não previu isso.

p "O que os experimentalistas fizeram foi colocar camadas de grafeno e outros materiais 2-D uns sobre os outros, e descobriu que o atrito diminui com o número de camadas. Você não esperaria isso, "de Wijn, um professor associado da NTNU, disse. "Era um comportamento peculiar."

p Outros trabalhos teóricos e experimentais sobre camadas de grafeno forneceram resultados contraditórios.

p Embora isso possa ser frustrante para os acadêmicos, é mais do que apenas um quebra-cabeça acadêmico. Cientistas e engenheiros que desejam descobrir como projetar materiais ou lubrificantes para reduzir o desgaste e o atrito precisam de modelos que os ajudem a estabelecer as bases de seus esforços.

p Adicionar complexidade melhorou o modelo

p Andersson e de Wijn decidiram examinar uma série de diferentes artigos de pesquisa experimental que descreviam descobertas contraditórias para ver se eles poderiam criar um modelo matemático que ajudasse a explicar o que estava acontecendo.

p Eles perceberam que poderiam explicar descobertas contraditórias adicionando uma variável adicional ao modelo de atrito Prandtl-Tomlinson centenário. Enquanto o modelo antigo simplesmente olhava para a força necessária para mover um ponto em uma superfície, quando os pesquisadores adicionaram uma variável que permitiu que os materiais em camadas se deformassem, era muito melhor para prever o atrito em nanoescala do que o modelo antigo.

p "No final, havia uma dúzia de artigos experimentais que conseguimos explicar de uma vez, adicionando o componente que permite que os materiais em camadas se deformem, "Andersson disse." Encontramos a maneira certa de expandir o modelo para resolver esse quebra-cabeça. "

p Aplicações práticas para grafeno

p Os pesquisadores esperam que seu modelo possa ajudar outros pesquisadores, especialmente quando se trata de grafeno.

p "Existem muitos mistérios sobre o grafeno e como ele funciona, "de Wijn disse. Mas o modelo revisado permite que os pesquisadores entendam melhor o atrito em folhas finas de grafeno e outros materiais semelhantes, ela disse.

p Por exemplo, ela disse, o modelo é um primeiro passo para ajudar os engenheiros a entender distorções extremas e rasgamento de folhas finas que têm apenas átomos de espessura quando essas camadas passam por uma carga elevada.

p “Em condições reais, tais distorções extremas são comuns e levam à quebra de ligações químicas, rasgando, desgaste, e perda de condições de baixo atrito, "de Wijn e Andersson escreveram em seu artigo." Este é um primeiro passo e levanta a possibilidade de uma melhor compreensão do desgaste e mais rápido, baseado na compreensão, desenvolvimento de aplicações práticas do grafeno em tecnologias de baixo atrito. "