Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Toronto Engineering e da Rice University relataram as primeiras medições do comportamento de fricção ultrabaixa de um material conhecido como magneteno. Os resultados apontam o caminho para estratégias para projetar materiais de baixo atrito semelhantes para uso em uma variedade de campos, incluindo pequenos dispositivos implantáveis.
O magneteno é um material 2D, o que significa que é composto por uma única camada de átomos. Nesse aspecto, é semelhante ao grafeno, um material que vem sendo estudado intensivamente por suas propriedades incomuns – incluindo fricção ultrabaixa – desde sua descoberta em 2004.

"A maioria dos materiais 2D são formados como folhas planas", diz Ph.D. candidato Peter Serles, que é o principal autor do novo artigo publicado hoje em Science Advances .

"A teoria era que essas folhas de grafeno exibem um comportamento de baixo atrito porque são apenas muito fracamente ligadas e deslizam umas pelas outras com muita facilidade. Você pode imaginar como abrir um baralho de cartas:não é preciso muito esforço para espalhe o baralho porque o atrito entre as cartas é muito baixo."

A equipe, que inclui os professores Tobin Filleter e Chandra Veer Singh, o pós-doutorado Shwetank Yadav e vários alunos atuais e graduados de seus grupos de laboratório, queriam testar essa teoria comparando o grafeno com outros materiais 2D.

Enquanto o grafeno é feito de carbono, o magneteno é feito de magnetita, uma forma de óxido de ferro, que normalmente existe como uma rede 3D. Os colaboradores da equipe da Rice University trataram a magnetita 3D usando ondas sonoras de alta frequência para separar cuidadosamente uma camada composta por apenas algumas folhas de magneteno 2D.

A equipe de engenharia da Universidade de Toronto colocou as folhas de magneteno em um microscópio de força atômica. Neste dispositivo, uma sonda de ponta afiada é arrastada sobre o topo da folha de magneteno para medir o atrito. O processo é comparável a como a caneta de um toca-discos é arrastada pela superfície de um disco de vinil.

“As ligações entre as camadas de magneteno são muito mais fortes do que seriam entre uma pilha de folhas de grafeno”, diz Serles. "Eles não deslizam um sobre o outro. O que nos surpreendeu foi o atrito entre a ponta da sonda e a fatia superior de magneteno:era tão baixa quanto no grafeno."

Até agora, os cientistas atribuíam o baixo atrito do grafeno e outros materiais 2D à teoria de que as folhas podem deslizar porque são unidas apenas por forças fracas conhecidas como forças de Van der Waals. Mas o comportamento de baixo atrito do magneteno, que não exibe essas forças devido à sua estrutura, sugere que algo mais está acontecendo.

“Quando você passa de um material 3D para um material 2D, muitas coisas incomuns começam a acontecer devido aos efeitos da física quântica”, diz Serles. "Dependendo do ângulo que você corta a fatia, ela pode ser muito lisa ou muito áspera. Os átomos não são mais tão restritos nessa terceira dimensão, então eles podem vibrar de maneiras diferentes. E a estrutura eletrônica também muda. Descobrimos que todos destes juntos afetam o atrito."

A equipe confirmou o papel desses fenômenos quânticos comparando seus resultados experimentais com os previstos por simulações de computador. Yadav e Singh construíram modelos matemáticos baseados na Teoria do Funcional da Densidade para simular o comportamento da ponta da sonda deslizando sobre o material 2D. Os modelos que incorporaram os efeitos quânticos foram os melhores preditores das observações experimentais.

Serles diz que o resultado prático das descobertas da equipe é que elas oferecem novas informações para cientistas e engenheiros que desejam projetar intencionalmente materiais de ultra baixa fricção. Tais substâncias podem ser úteis como lubrificantes em várias aplicações de pequena escala, incluindo dispositivos implantáveis.

Por exemplo, pode-se imaginar uma pequena bomba que fornece uma quantidade controlada de uma determinada droga para uma determinada parte do corpo. Outros tipos de sistemas microeletromecânicos poderiam coletar a energia de um coração batendo para alimentar um sensor, ou alimentar um pequeno manipulador robótico capaz de separar um tipo de célula de outro em uma placa de Petri.

“Quando você está lidando com peças móveis tão pequenas, a razão entre a área de superfície e a massa é realmente alta”, diz Filleter, autor correspondente do novo estudo. "Isso significa que é muito mais provável que as coisas fiquem presas. O que mostramos neste trabalho é que é precisamente por causa de sua pequena escala que esses materiais 2D têm um atrito tão baixo. Esses efeitos quânticos não se aplicariam a materiais 3D maiores. ."

Serles diz que esses efeitos dependentes da escala, combinados com o fato de o óxido de ferro não ser tóxico e barato, tornam o magneteno muito atraente para uso em dispositivos mecânicos implantáveis. Mas ele acrescenta que há mais trabalho a ser feito antes que os comportamentos quânticos sejam totalmente compreendidos.

“Tentamos isso com outros tipos de materiais 2D à base de ferro, como hemateno ou cromita, e não vemos as mesmas assinaturas quânticas ou comportamento de baixo atrito”, diz ele. “Então, precisamos nos concentrar em por que esses efeitos quânticos estão acontecendo, o que pode nos ajudar a ser mais intencionais sobre o design de novos tipos de materiais de baixo atrito”. + Explorar mais

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