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Contribuição do Instituto à compreensão do atrito na escala nano.

segunda-feira, 10 de julho de 2017 17:07

O fenômeno do atrito é agora um pouco mais compreendido graças a um estudo realizado por pesquisadores de três seções do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies: UCS, PUC-Rio e Unicamp. O trabalho foi publicado no dia 12 de junho na Scientific Reports, periódico científico de acesso aberto do grupo Nature (link para o artigo: https://www.nature.com/ articles/s41598-017-03046-8).

É sabido que, quando uma superfície se desliza sobre outra (o que ocorre, por exemplo, quando as peças do motor de um carro se movimentam), existe uma força que se opõe ao movimento das superfícies: o atrito ou fricção. Contudo, a origem (múltipla) dessa força é uma questão ainda aberta para a ciência.

Na escala nano, as redes de átomos ou moléculas que formam os materiais estão sempre vibrando coletivamente, em maiores ou menores frequências. O fenômeno, chamado de "fônon", foi objeto do trabalho dos pesquisadores do Instituto. A equipe dedicou-se a investigar se essas vibrações participavam do fenômeno do atrito - em outras palavras, se contribuíam para gerar atrito - e conseguiram confirma-lo afirmativamente com base em evidências experimentais.

"A principal contribuição deste trabalho à ciência foi gerar mais evidências para encerrar um debate aberto há anos sobre a contribuição fonônica ao fenômeno de atrito. Nós inclinamos a balança para o lado que afirma que existe, sim, uma influência dos fônons no atrito na nanoescala, e que essa contribuição fonônica vem da camada mais externa do material", diz o professor Carlos Figueroa (UCS), autor correspondente do artigo.

O debate ao qual se refere Figueroa iniciou-se em 2007, com um artigo publicado na revista Science por um grupo de pesquisadores de universidades estadunidenses, o qual apresentou a primeira evidência experimental da influência dos fônons no atrito na escala dos nanometros. Os autores desse paper desenharam um interessante experimento que lhes permitiu superar o desafio de analisar isoladamente a influência das vibrações fonônicas no atrito, descartando todos os outros fatores que poderiam influir (eletrostático, eletrônico, magnético).

Nesse paper da Science, os autores mediram o atrito a partir do deslizamento rasante da ponta do microscópio de força atômica (AFM) sobre superfícies de amostras cujas camadas mais externas estavam formadas por átomos de hidrogênio ou por átomos de deutério - dois isótopos. Vale lembrar que os átomos desses elementos têm o mesmo número de prótons e elétrons, e têm, portanto, as mesmas propriedades químicas e elétricas, diferindo, apenas, no número de nêutrons (nenhum nêtron no hidrogênio e um no deutério), que determina sua massa e, portanto, a frequência de vibração fonônica do material. Dessa maneira, ao se comparar as medidas de atrito dos dois grupos de amostras, foi possível atribuir a diferença nos resultados à ação dos fônons, demonstrando que as vibrações da rede de átomos contribuem à geração de atrito. O artigo gerou debate na literatura científica - inclusive uma simulação computacional que contestava os resultados experimentais.

Alguns anos depois de sua publicação, esse paper e o debate gerado em torno da contribuição fonônica ao atrito suscitaram a curiosidade de pesquisadores de duas seções do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies, a da UCS, coordenada pelo professor Figueroa, e a da PUC-Rio, coordenada pelo professor Fernando Lázaro Freire Jr. Cada um dos grupos, sem saber do outro, decidiu dar continuidade à investigação da contribuição fonônica do atrito por meio de experimentos com amostras de isótopos.

O sucesso da pesquisa veio a partir da colaboração científica entre os grupos das universidades gaúcha e carioca, à qual se somou um pesquisador da seção Unicamp do Instituto, o professor Fernando Álvarez. Orientador da pesquisa de doutorado de Figueroa defendida em 2004, Álvarez vinha colaborando com o ex-orientando no tema do atrito na nanoescala, e agregou seu conhecimento sobre o assunto na interpretação dos resultados e na elaboração do artigo.

Com ampla experiência na fabricação e análise de filmes finos baseados em carbono, os pesquisadores da PUC-Rio (os professores Marcelo Maia da Costa e Fernando Lázaro Freire Jr) produziram e caracterizaram as amostras, formadas por um substrato de silício cristalino revestido por um filme de espessura nanométrica de tipo DLC (diamond-like carbon), composto principalmente por átomos de carbono e, cobrindo a camada mais externa do filme, átomos de hidrogênio e/ou deutério. Uma parte da caracterização das amostras foi realizada na UCS, com a participação de Carla Boeira - na época mestranda em Materiais nessa universidade.

Para realizar as medidas de atrito, a equipe decidiu utilizar um nanoindentador localizado na seção UCS do Instituto. Equipamentos desse tipo são usualmente utilizados para medir atrito na nanoescala. Sua ponta de diamante, ao deslizar sobre as amostras, penetra um pouco na superfície (75 nm, aproximadamente), o que não acontece com o deslizamento rasante do AFM usado no experimento publicado na Science. "O contato físico ou direto do nanoindentador se assemelha mais às condições reais em que o atrito acontece no dia-a-dia do que o contato que o AFM fornece", destaca Figueroa.

Depois de realizar uma série de ajustes no equipamento e no método experimental, deu-se início às medidas em si (a caracterização nanotribológica das amostras). A realização dos experimentos no nanoindentador ficou a cargo de uma bolsista de iniciação tecnológica, a estudante do curso de Engenharia Química da UCS Saron Rosy Sales de Mello, orientada por Figueroa e primeira autora do artigo da Scientific Reports. Na análise dos resultados e na elaboração do artigo, participou também Caren Menezes, que estava realizando seu doutorado em Materiais na UCS com uma pesquisa sobre atrito.  

A imagem que ilustra esta matéria lado mostra uma representação do experimento: a ponta arredondada do nanotribómetro (acima) desliza-se sobre 3 amostras que divergem quanto às porcentagens de hidrogênio e deutério em sua camada mais externa.

As medidas mostraram que o atrito diminui à medida que aumenta a porcentagem de deutério na superfície na amostra; e que o atrito aumenta quando a porcentagem de hidrogênio cresce. Os experimentos trouxeram novas evidências de que o atrito (desta vez, o atrito por contato direto) dependia da massa dos átomos do material e, portanto, da vibração fonônica.

Quanto à contribuição tecnológica do trabalho, os resultados do estudo mostram um caminho a seguir para fabricar superfícies com coeficiente de atrito controlado, como, por exemplo, superfícies de alta eficiência energética. A escolha de materiais com menor frequência vibracional de átomos ajudaria a gerar superfícies com menor coeficiente de atrito.

"A história do trabalho ilustra muito bem o que eu entendo que é a ciência", diz Figueroa. "Uma busca por ir além da fronteira do conhecimento, envolvendo bastante interação entre pesquisadores, não apenas aplicando a expertise de cada um, mas também estudando temas que ainda não dominamos", resume.

O trabalho contou com financiamento das agências brasileiras CNPq, Capes, Fapergs e do projeto SUMA2 Network da Comissão Europeia.

O artigo, publicado na modalidade de acesso aberto, reuniu mais de 440 visualizações em menos de 1 mês e foi objeto de matérias de divulgação da Agência Fapesp e da assessoria de comunicação da UCS.

Fonte: Gerência de comunicação do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies

Palavras-chave: atrito, atrito fonônico, carlos figueroa, contato direto, efeito isotópico, escala atômica, fernando alvarez, fernando lázaro freire jr, fônons, nanoescala, nanoindentação, science, scientific reports