Classic models for the study of microscopic friction

Abstract

O atrito é um fenômeno extremamente onipresente, a ponto de que a maior parte do tempo não percebemos como isso afeta nossas vidas, desde pequenos detalhes até aspectos fundamentais. Geralmente é considerado um problema relacionado com a perda de energia e desgaste das peças das máquinas, mas sem sua existência não ouviríamos o violino, as unhas seriam inúteis, e a vida não poderia ser possível, pois num regime sem desgaste, o equilíbrio térmico seria inalcançável. As técnicas experimentais atuais capazes de estudar a força de atrito, abriram um novo campo de pesquisa envolvendo escalas de comprimento atômico, chamado de nano-tribologia. Apesar disso, a origem microscópica da força de atrito permanece principalmente não resolvida até hoje. Nesta tese de doutorado, foi estudada a base da origem da força de atrito, primeiro investigando sua dependência com a velocidade através do conhecido modelo de Prandtl-Tomlinson para temperatura igual a zero. A essência da troca de energia, que poderia explicar o surgimento do atrito foi investigada pela dinâmica entre duas partículas. Uma ligada a uma mola e a outra lançada em sua direção com certa velocidade, sendo a interação entre elas do tipo gaussiano (curto alcance). Para simular um substrato mais realista, o sistema de partículas-mola foi estendido para uma disposição periódica de partículas, independentes entre elas, e a partícula que no primeiro modelo era lançada, foi substituída por uma ponta, geralmente usada para escanear as superfícies no microscópio de força atômica. A principal técnica utilizada foi dinâmica molecular, ferramenta ideal para abordar o estudo da dinâmica de sistemas clássicos de muitas partículas.

Friction is an extremely ubiquitous phenomenon, to the point that most of the time we do not realize how it affects our lives, from tiny details to fundamental aspects. It is usually regarded as a nuisance related with the loss of energy and wear of machine parts, but without it, we would not hear the violin, the nails would be useless, and life could not be possible because in a wearless regime, the thermal equilibrium would be unattainable. The current experimental techniques able to study friction forces, opened a new field of research involving atomic length scales, called nano-tribology. Despite this, the microscopic origin of friction force remains mostly unsolved until date. In this PhD thesis, was studied the basis of the origin of the friction force, first investigating its dependence with the velocity through the well-known Prandtl-Tomlinson model for zero temperature. The essence of the energy exchange that could explain the emergence of friction was investigated by the dynamics between two particles. One attached to a spring and the other sliding in its direction with a certain speed. The interaction between them represented by Gaussian potential (short range). To simulate a more realistic substrate, the springparticle system was extended to a periodic arrangement of particles, independent between them, and the particle that was thrown against it was replaced by a tip, generally used to scan the surfaces on the atomic force microscope. The main used technique was molecular dynamics, an ideal tool to address the study the dynamics of many particles classical systems.