Mecânica

O Código Da Vinci ajuda a solucionar o mistério do atrito

Berkeley Lab - 29/08/2005

O Código Da Vinci, um best-seller da literatura mundial, que logo estará nas telas do cinema, poderá brevemente ser ligado à solução de um mistério científico tão antigo quanto o próprio Leonardo Da Vinci: o atrito.

Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e do Laboratório Ames, ambos nos Estados Unidos, utilizaram os princípios da fricção de Da Vinci, juntamente com algumas curiosas estruturas geométricas, conhecidas como quasicristais, para abrir uma nova fronteira de pesquisas rumo a um melhor entendimento do atrito em nível atômico.

Sobre uma superfície perpendicular ao eixo rotacional de um quasicristal, os átomos são espaçados de maneira regular, ou periódica. Mas, a determinados ângulos, eles são espaçados em uma seqüência de Fibonacci, na qual a taxa entre os espaços curtos e os espaços longos é um número irracional, como a chamada Média Dourada.

Em um artigo publicado na revista Science, a equipe do Dr. Miquel Salmeron descreve o primeiro estudo que mediu os efeitos da periodicidade em uma estrutura cristalina em relação ao atrito. Utilizando uma combinação de microscópio de força atômica (AFM) e microscópio de tunelamento (STM), os pesquisadores mostraram que o atrito é oito vezes maior na direção periódica, em comparação com a direção na qual os átomos estão dispostos de forma aperiódica.

A periodicidade geométrica foi confirmada em linhas de átomos que formam a seqüência de Fibonacci, um padrão numérico freqüentemente observado nos quasicristais - e que foi uma das dicas para resolver o mistério do código de Da Vinci no livro de Dan Brown.

"Que nós tenhamos uma enorme diferença na força friccional simplesmente arranhando a superfície de um material em uma direção diferente foi uma surpresa incrível," diz Salmeron. "Nossos resultados revelam uma forte conexão entre a estrutura atômica superficial e os mecanismos pelos quais a força friccional é dissipada."

Os princípios do atrito, como descritos por Leonardo da Vinci há cerca de 500 anos atrás, funcionam bem para a mecânica em macroescala, como o movimento das peças de um motor de carro, lubrificado por óleo. Entretanto, à medida em que os equipamentos são miniaturizados até a nanoescala, é crucial um entendimento muito mais aprofundado do atrito em nível molecular.

"A fricção é difícil de se caracterizar porque há muitos fatores diferentes envolvidos," afirma Jeong Young Park, outro pesquisador da equipe. "Estudos científicos da força friccional ficaram no limbo por muito tempo, simplesmente porque nós não tínhamos as ferramentas necessárias para estudá-la em nível atômico."

A ferramenta chave utilizada neste estudo foi a combinação entre o AFM e o STM. Os dois microscópios utilizam um sensor que detecta um único átomo, graças à sua finíssima ponta. Esta ponta é passada ao longo da superfície da amostra a ser estudada, revelando informações em nível atômico. No modo AFM (força atômica), a ponta toca efetivamente os átomos da superfície da amostra, tal como a agulha de um velho toca-discos toca o vinil - mas com uma força tão pequena que nenhum dos átomos tocados é desalojado. No modo STM (tunelamento), a ponta nunca toca realmente os átomos da amostra, mas é posta próxima o suficiente para que os elétrons "tunelem" ao longo do intervalo que separa os átomos da ponta do microscópio, gerando uma corrente elétrica.

"Primeiro nós utilizamos o modo STM para produzir imagens topográficas de nossos quasicristais e verificamos qual direção era periódica e qual era aperiódica," conta Salmeron. "Nós então mudamos para o modo AFM e arranhamos suavemente os cristais em cada uma das direções para medir e comparar a força friccional."

No nível atômico, quando as duas superfícies entram em contato, as ligações químicas e as nuvens de elétrons nos seus respectivos átomos criam a força friccional e fazem com que energia seja dissipada. A partir dos estudos de Da Vinci, há muito tempo se sabe que o atrito é maior entre superfícies de orientação cristalográfica idêntica do que entre superfícies de orientações diferentes, porque, segundo Salmeron, "a comensurabilidade leva a um profundo intertravamento, com alta fricção."

Entretanto, alguns estudos recentes haviam relatado altas diferenças friccionais, ou anisotropia, para superfícies cristalinas incomensuradas quando aparecem diferenças de periodicidade.

Para medir os efeitos friccionais devidos unicamente à periodicidade, e não a outros fatores, como às diferenças químicas, Salmeron, Park e Frank Ogletree trabalharam com quasicristais decagonais de uma liga de alumínio-níquel-cobalto (Al-Ni-Co), preparada por seus colaboradores no Laboratório Ames, reconhecidos especialistas em superfícies de materiais quasicristalinos.

Planos empilhados de cristais de Al-Ni-Co apresentam simetrias rotacionais duplas e décuplas, simultaneamente. Cortando um quasicristal único, paralelamente ao seu eixo décuplo, os pesquisadores conseguiram produzir uma superfície bidimensional com um eixo periódico e um eixo aperiódico, separados por 90 graus.

"Foi observada uma forte anisotropia friccional quando a ponta do AFM deslizou sobre as duas direções: alta fricção ao longo da direção periódica e baixa fricção ao longo da superfíce aperiódica," explica Park. "Nós acreditamos que a fonte dessa fricção tenha componentes tanto eletrônicos quanto fonônicos." Fónons são vibrações em uma estrutura cristalina, como se fossem ondas sonoras atômicas.

Os autores do artigo na revista Science afirmaram que novos modelos teóricos são necessários para determinar se são os elétrons ou os fónons os causadores dominantes da anisotropia friccional que eles relataram.

"Nossos resultados finalmente dão aos teóricos a chance para serem proativos em suas modelagens do atrito," afirma Salmeron.

O artigo "High Frictional Anisotropy of Periodic and Aperiodic Directions on a Quasicrystal Surface,", de autoria de Jeong Young Park, D. F. Ogletree, M. Salmeron, R. A. Ribeiro, P. C. Canfield, C. J. Jenks, e P. A. Thiel, foi publicado no exemplar do dia 26 de Agosto da revista Science.