Interações físico-químicas em nanotribologia: elucidação de mecanismos e controle do atrito em escala nanométrica
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2023-06-30
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O estudo de atrito, desgaste, lubrificação e adesão em escala nanométrica forma a nanotribologia, área interdisciplinar que se dedica ao entendimento e à promoção de avanços nas diversas aplicações em que estes fenômenos estão presentes. O atrito, principalmente, é um evento coletivo formado por diferentes mecanismos independentes que resultam na propriedade final. Com o avanço experimental e teórico das últimas décadas, foi possível separar as diferentes contribuições. Entendendo cada uma de maneira aprofundada, promove-se a mudança e até mesmo o controle ativo dessa propriedade, inerente a qualquer interface de materiais em contato e movimento relativo. Diversas contribuições podem ser entendidas pela físico-química das interações e, neste contexto, o presente trabalho tem como intuito investigar e relacionar tais características aos fenômenos nanotribológicos. Inicialmente, um modelo físico-químico com base na polarizabilidade dos materiais que formam a interface é proposto e descreve de maneira satisfatória, quando comparado com dados experimentais, o regime elástico de nanoatrito para sistemas amorfos e cristalinos. Em sistemas em que a polarizabilidade dos materiais não varia de maneira expressiva, investigou-se a formação de ligações químicas na interface como responsável pela variação de atrito em trabalhos experimentais e de simulação. Essa observação permitiu a proposta de um efeito isotópico indireto para superfícies passivadas com átomos de hidrogênio e deutério, unindo resultados antes divergentes na bibliografia, e a confirmação experimental do atrito dependente do deslizamento para filmes de silício passivados com hidrogênio, recentemente sugerido por simulação. Finalmente, propôs-se o controle ativo do atrito em sistemas de nanopartículas, onde a luz foi o elemento responsável por mudar, reversivelmente, propriedades de superfície, levando à mudança das interações de interface. Assim, propriedades físico-químicas foram utilizadas para entender a nanotribologia e propostas como ferramenta para controle ativo dessas propriedades. [resumo fornecido pelo autor]
Resumo
The study of friction, wear, lubrication, and adhesion at the nanoscale forms nanotribology, an interdisciplinary area dedicated to understanding and promoting advances in the most diverse applications in which these phenomena are present. Friction is a collective event, formed by independent mechanisms that result in the final property observed. With the experimental and theoretical advances of the last decades, it was possible to separate the different contributions. Understanding each one in depth promotes the change and even the active control of this property, inherent in any interface of materials in contact and relative sliding. Several contributions can be better understood by the physical chemistry of interactions, and, in this context, the present work aims to investigate and relate such characteristics to nanotribological phenomena. Initially, a physicochemical model based on the polarizability of the materials that form the interface is proposed and satisfactorily describes, when compared with experimental data, the elastic regime of nanofriction for amorphous and crystalline systems. In materials in which the polarizability of the atoms does not vary significantly, the formation of chemical bonds at the interface was investigated as responsible for the friction variation in experimental and simulation work. This observation allowed the proposal of an indirect isotopic effect for surfaces passivated with hydrogen and deuterium atoms, joining previously divergent results in the bibliography, and the experimental confirmation of the slip-dependent friction for silicon films passivated with hydrogen, recently suggested by simulation. Finally, it was proposed the active control of friction in nanoparticle systems, where the light was the agent responsible for reversibly changing surface properties, leading to the change of interface interactions. Thus, physicochemical properties were used to understand nanotribology and proposed as a tool for active control of its phenomena. [resumo fornecido pelo autor]