Se você já teve dificuldade para deslocar um móvel pesado, provavelmente notou que girar o móvel enquanto o empurra torna as coisas mais fáceis. Pesquisadores na Alemanha e na Itália investigaram agora esse mesmo fenômeno em microescala e, no processo, identificaram as condições que deveriam permitir que objetos microscópicos girassem através de uma superfície cristalina com um torque mínimo. Esta descoberta teórica, que a equipe apoiou com experimentos em minúsculas esferas magnéticas, poderia ajudar no desenvolvimento de micro e nanomáquinas para aplicações em áreas como robótica e distribuição de medicamentos.
Para mover um objeto – seja ele grande ou pequeno – é necessário aplicar uma força para superar seu atrito translacional estático com a superfície subjacente. Este é um princípio básico da mecânica, mas a relação entre o atrito translacional e rotacional é complexa, e torna-se ainda mais complexa em escalas de comprimento minúsculo, onde as superfícies de contato podem envolver apenas algumas centenas de átomos. Em dispositivos nanométricos, o atrito translacional é um problema particular porque suas altas relações entre área superficial e volume significam que suas superfícies se desgastam rapidamente e podem até mesmo aderir espontaneamente quando entram em contato.
Imitando a área de contato entre duas superfícies atomicamente planas
Para estudar a relação entre o atrito estático translacional e rotacional, membros de uma equipe liderada por Clemens Bechinger da Universidade de Konstanz, Alemanha começou fazendo aglomerados cristalinos de esferas magnéticas do tamanho de mícrons. Eles então colocaram essas esferas em contato com uma superfície estruturada contendo poços espaçados periodicamente, como uma caixa de ovos. Esta configuração imita o tipo de contato que ocorre entre duas superfícies atomicamente planas, explica Xin Cao, principal autor de um artigo sobre a pesquisa publicado no Revisão física X.
Os pesquisadores então giraram os aglomerados usando um campo magnético rotativo, mantendo cerca de 10 a 1000 partículas esféricas de cada aglomerado em contato com a superfície. O torque mínimo necessário para fazer o cluster girar corresponde ao atrito rotacional estático, que os pesquisadores explicam ser semelhante ao atrito translacional estático que caracteriza a força mínima necessária para empurrar o cluster.
O atrito faz o trabalho pesado em cordas e fios
Uma vez que a rotação excede um certo limite, os pesquisadores descobriram que o atrito estático diminui drasticamente, produzindo um estado de atrito estático ultrabaixo para aglomerados muito grandes. “Esse estado de baixo atrito permite que objetos microscópicos sejam colocados em rotação aplicando uma quantidade mínima de torque e pode ser altamente relevante para a fabricação e funcionamento de pequenos dispositivos mecânicos – da escala atômica à microescala – aproximando-nos de realizando máquinas menores e mais eficientes”, diz Bechinger.
Uma superposição de translação e rotação
“Sob quaisquer circunstâncias realistas, o movimento dos objetos é uma superposição de translação e rotação”, diz ele Mundo da física. “Para muitas aplicações é importante conhecer a resistência ao atrito que acompanha esse movimento porque o atrito consome energia e pode até levar à falha dos dispositivos. Ao contrário do atrito translacional, pouco se sabe sobre o atrito rotacional, mas agora abordamos o último em nosso estudo.”
Até agora, os investigadores concentraram-se em superfícies perfeitamente periódicas. “Em nosso trabalho futuro, introduziremos defeitos, que também estarão presentes em muitas circunstâncias”, diz Bechinger.
