Interações de van der Waals na superlubricidade de filmes nanoestruturados e hidrogenado
Zusammenfassung
O atrito é originado por eventos de dissipação de energia devido ao trabalho realizado de forças não conservativas. Os mecanismos nanotribológicos por meio dos quais a dissipação pode ocorrer englobam deformação molecular e efeitos fonônicos, elétricos (eletrônicos e eletrostáticos) e magnéticos. Apesar de sua importância fundamental, esses mecanismos físico-químicos que governam o atrito são pouco compreendidos. Embora a literatura forneça uma riqueza de informações sobre a eficiência energética no estado de baixo atrito, também denominado de superlubricidade estrutural, algumas previsões associadas só puderam ser confirmadas quantitativamente em poucos sistemas sob condições específicas. Sistemas nanoestruturados à base de carbono, tais como filmes finos de carbono amorfo hidrogenado (a-C:H), possuem uma combinação única de propriedades com potencial tecnológico-industrial para aplicações na área de mecânica e eletromecânica. Nesta tese, busca-se entender o papel das interações elétricas e dos mecanismos envolvidos no atrito desses filmes nanoestruturados. Relata-se que o potencial elétrico e o sinal de atrito em nanoescala que surgem na interface de contato são proporcionais aos teores de hidrogênio das camadas superficiais de a-C:H no regime sem desgaste. As flutuações eletrodinâmicas constatadas no sinal de atrito com diferentes conteúdos de [H]/[C] por nanoindentação seguida de deslizamento unidirecional (NUS) e microscopia de força lateral ou de atrito (LFM/FFM) dependem da deformação molecular e da polarizabilidade atômica, respectivamente. Uma proporção maior de hidrogênio para carbono reduz o potencial da superfície, afetando diretamente as forças dissipativas por meio de uma interação de longo alcance menos eficaz. A superlubricidade estrutural é atribuída a uma baixa polarizabilidade na camada mais externa de a-C:H devido a uma menor densidade eletrônica, o que enfraquece as interações atômico-moleculares (forças de van der Waals), em particular as forças de dispersão de London. Do ponto de vista topológico, propõe-se a formação de nanodomínios multipolares pelo hidrogênio na superfície de a-C:H para atingir a superlubricidade. A compreensão dos mecanismos de amortecimento e o controle de sistemas quase sem atrito visam auxiliar na elaboração de novas estratégias para aplicações em dispositivos micro e nanoeletromecânicos, assim como na redução de custos e impactos ambientais em escala global.