Às vezes, o atrito é bom, como o atrito entre uma estrada e os pneus de um carro para evitar que o veículo derrape. Mas às vezes o atrito é ruim – se você não colocasse óleo naquele mesmo carro, haveria tanto atrito nos rolamentos do motor que o carro não funcionaria.
Um estado de material conhecido como superlubricidade, onde o atrito entre duas superfícies em contato quase desaparece, é um fenômeno que os pesquisadores de materiais estudam há anos devido ao potencial de reduzir o custo de energia e o desgaste dos dispositivos, duas grandes desvantagens do atrito. No entanto, há momentos em que o atrito é necessário dentro do mesmo dispositivo, e a capacidade de ativar e desativar a superlubrificação seria um benefício para várias aplicações práticas de engenharia.
Seong Kim, distinto professor de engenharia química e chefe adjunto do Departamento de Engenharia Química da Penn State, e Zhe Chen, pesquisador do State Key Laboratory of Fluid Power and Mecatrônica Systems e do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Zhejiang, propôs em um estudo em Materiais Aplicados Hoje que este interruptor de super lubricidade pode ser encontrado na umidade. Especificamente, vapor de água e vapor em fenol, que é uma família de compostos orgânicos.
A superlubricidade é uma característica chave de certos materiais bidimensionais (2D), que consistem em uma única camada de átomos, especialmente grafeno e dissulfeto de molibdênio. O grafeno é frequentemente usado como lubrificante sólido, na forma de revestimento em vários materiais, como metais e plásticos. Com o grafeno, os átomos são orientados de maneira hexagonal, formando essa paisagem de montanhas e vales, como uma caixa de ovos de supermercado.
“Quando você vai à loja para comprar a caixa de 36 ovos, você tem picos e vales, uma estrutura altamente ondulada”, disse Kim. “Se você colocar duas caixas de ovos uma em cima da outra de forma que as treliças fiquem voltadas uma para a outra, é extremamente difícil deslizar uma sobre a outra, pois os picos de uma estão no vale da outra. Mas se você girar um pouco então os picos não vão para os vales, eles podem deslizar com muita facilidade e, portanto, o grafeno pode ter superlubricidade.”
Reduzir o atrito para quase zero é uma vantagem para diminuir o desgaste de dispositivos mecânicos e economizar energia. Mas também pode ser algo indesejável.
“Como o atrito causa cerca de 25% a 30% da perda de energia em caminhões e automóveis e pode desgastar peças de máquinas, eliminá-lo pode ser bom”, disse Kim. “No entanto, você pode imaginar que, se removermos completamente o atrito, não teremos nenhuma tração. Se não tivermos nenhuma tração, isso tornará um veículo ou outra máquina extremamente difícil de controlar seu movimento.”
Isso torna importante a capacidade de ativar e desativar a superlubricidade; no entanto, há muito tempo é considerado algo extremamente difícil de fazer, até mesmo impossível. Recentemente, essa superlubricidade passou a ser considerada a mais possível, com ideias envolvendo força mecânica, exposição à luz etc. como formas potenciais de desligá-la e ligá-la.
No entanto, Kim e sua equipe encontraram resultados promissores alterando o ambiente, ou seja, tornando-o mais úmido por meio de água e vapor de fenol.
Eles usaram uma sonda de óxido de silício em um plano basal de grafite para demonstrar como isso pode ser possível. O silício é comumente usado em sistemas microeletromecânicos (MEMS) que possuem pequenas partes móveis e são usados em dispositivos como os acelerômetros encontrados em Apple Watches e telefones celulares para medir a velocidade.
Os pesquisadores descobriram que a superlubricidade em nanoescala entre a ponta da sílica e a superfície do grafeno pode ser ajustada pela adsorção de diferentes moléculas do ambiente. Eles descobriram que o atrito superbaixo pode ser aumentado 25 vezes pelo vapor de água e 45 vezes pelo vapor de fenol. Quando a água é adsorvida em uma superfície de sílica, ela forma uma nanoestrutura semelhante à estrutura que possui em seu estado sólido, o gelo.
“Quando aumentamos a umidade, a água fica na superfície do dióxido de silício”, disse Kim. “Podemos reorganizar a estrutura de forma que a rede de gelo coincida com a rede de grafite. A ondulação atômica combina uma com a outra, então o atrito aumenta. Este estudo sugere que, se pudéssemos produzir uma maneira de controlar a umidade da superfície do material, isso permitiria que a sílica deslizasse sobre a superfície do grafite de uma maneira mais planejada. Depois de fazer isso, podemos ativar e desativar a superlubricidade.”
Entre os próximos passos desta pesquisa estaria o aperfeiçoamento do processo para viabilizar aplicações práticas desta técnica. Kim observa que, embora uma aplicação macro em larga escala de um interruptor de superlubricidade possa estar bastante distante, as aplicações de MEMS em dispositivos como celulares e Fitbits são possíveis em uma escala de tempo mais curta.
“Por serem dispositivos tão pequenos, a força de atuação é muito pequena, então qualquer fricção pode matar o dispositivo e então, para evitar tais problemas de falha, muitos dispositivos MEMS têm revestimentos de carbono clorado, mas estes são revestimentos orgânicos”, disse Kim. . “E então esses revestimentos orgânicos não podem se sustentar por muito tempo durante os ciclos repetidos porque eles se desgastam. Mas se pudermos colocar grafeno como revestimento e controlar o atrito ligado e desligado, então podemos ter um controle de movimento muito preciso . E os engenheiros podem revisitar os antigos dispositivos e tecnologias anteriores que foram desenvolvidos, mas não puderam ser usados devido a problemas de atrito. Isso pode levar a dispositivos melhores ou até mesmo novos.”
Kim também observou que este trabalho de pesquisa é um estudo interpretativo fundamental e aponta que a descoberta feita nesta pesquisa fala sobre a importância da ciência fundamental.
“Não seríamos capazes de fazer esse tipo de descoberta se apenas olhássemos nossas publicações e não fizéssemos o trabalho básico”, disse Kim. “Alguns podem pensar que os avanços vêm naturalmente, mas há muito esforço envolvido nisso. Não podemos esquecer de fazer a ciência fundamental que leva a essas colaborações e descobertas de pesquisa.”
O trabalho foi financiado pela National Science Foundation.
Com informações de Science Daily.