Des scientifiques deAVECont développé une interface frictionnelle au niveau atomique. La nouvelle technique ajuste la friction entre deux surfaces, au point où la friction peut disparaître.
La friction est omniprésente autour de nous, s'opposant au mouvement des pneus sur la chaussée, au gribouillage d'un stylo sur du papier et même au flux de protéines dans la circulation sanguine. Chaque fois que deux surfaces entrent en contact, il y a friction, sauf dans des cas très particuliers où la friction disparaît pratiquement – un phénomène connu sous le nom de « superlubrification », dans lequel les surfaces glissent simplement l’une sur l’autre sans résistance.
Les physiciens du MIT ont développé une technique expérimentale pour simuler le frottement au niveauà l'échelle nanométrique. Grâce à leur technique, les chercheurs sont capables d'observer directement des atomes individuels à l'interface de deux surfaces et de manipuler leur disposition, en réglant ainsi le degré de friction entre les surfaces. En modifiant l’espacement des atomes sur une surface, ils ont observé un point auquel la friction disparaît.
Vladan Vuletic, professeur de physique Lester Wolfe au MIT, affirme que la capacité de régler la friction serait utile dans le développement de nanomachines – de minuscules robots construits à partir de composants de la taille de molécules uniques. Vuletic affirme qu'à l'échelle nanométrique, la friction peut exiger une force plus importante, par exemple en créant une usure sur de minuscules moteurs beaucoup plus rapidement qu'à plus grande échelle.
"De gros efforts sont déployés pour comprendre la friction et la contrôler, car c'est l'un des facteurs limitants pour les nanomachines, mais il y a eu relativement peu de progrès dans le contrôle réel de la friction à quelque échelle que ce soit", explique Vuletic. "Ce qui est nouveau dans notre système, c'est que, pour la première fois à l'échelle atomique, nous pouvons observer cette transition de la friction à la superlubrification."
Vuletic, ainsi que les étudiants diplômés Alexei Bylinskii et Dorian Gangloff, ont publié leurs résultats dans la revueScience.
Découvrez la technique développée par les physiciens du MIT pour simuler le frottement à l’échelle nanométrique. Vidéo : Melanie Gonick/MIT (avec simulations informatiques d'Alexei Bylinkskii)
Champs de friction et de force
L’équipe a simulé le frottement à l’échelle nanométrique en concevant d’abord deux surfaces à mettre en contact : un réseau optique et un cristal ionique.
Le réseau optique a été généré à l’aide de deux faisceaux laser se déplaçant dans des directions opposées, dont les champs s’additionnent pour former un motif périodique sinusoïdal dans une dimension. Ce soi-disant réseau optique est similaire à une boîte à œufs, où chaque pic représente un potentiel électrique maximum, tandis que chaque creux représente un minimum. Lorsque les atomes traversent un tel champ électrique, ils sont attirés vers des endroits de potentiel minimum – dans ce cas, les creux.
Vuletic a ensuite conçu une deuxième surface : un cristal d'ions - essentiellement une grille d'atomes chargés - afin d'étudier les effets de la friction,atomepar atome. Pour générer le cristal d'ions, le groupe a utilisé la lumière pour ioniser ou charger des atomes d'ytterbium neutres émergeant d'un petit four chauffé, puis les a refroidis avec davantage de lumière laser juste au-dessus.zéro absolu. Les atomes chargés peuvent ensuite être piégés à l’aide de tensions appliquées aux surfaces métalliques proches. Une fois chargés positivement, chaque atome se repousse via la « force coulombienne ». La répulsion maintient efficacement les atomes séparés, de sorte qu'ils forment une surface semblable à un cristal ou à un réseau.
L’équipe a ensuite utilisé les mêmes forces que celles utilisées pour piéger les atomes afin de pousser et de tirer le cristal ionique à travers le réseau, ainsi que pour étirer et presser le cristal ionique, un peu comme un accordéon, modifiant ainsi l’espacement entre ses atomes.
Un tremblement de terre et une chenille
En général, les chercheurs ont découvert que lorsque les atomes du cristal ionique étaient régulièrement espacés, à des intervalles correspondant à l'espacement du réseau optique, les deux surfaces subissaient une friction maximale, un peu comme deux briques Lego complémentaires. L’équipe a observé que lorsque les atomes sont espacés de telle sorte que chacun occupe un creux dans le réseau optique, lorsque le cristal ionique dans son ensemble est traîné à travers le réseau optique, les atomes ont d’abord tendance à rester coincés dans les creux du réseau, liés par leur préférence pour le potentiel électrique inférieur, ainsi que par les forces coulombiennes qui maintiennent les atomes séparés. Si une force suffisante est appliquée, le cristal ionique glisse soudainement, tandis que les atomes sautent collectivement vers le creux suivant.
"C'est comme un tremblement de terre", dit Vuletic. "Il y a une accumulation de force, puis il y a soudainement une libération d'énergie catastrophique."
Le groupe a continué à étirer et à presser le cristal ionique pour manipuler la disposition des atomes et a découvert que si l’espacement des atomes ne correspond pas à celui du réseau optique, la friction entre les deux surfaces disparaît. Dans ce cas, le cristal n’a pas tendance à coller puis à glisser soudainement, mais à se déplacer de manière fluide à travers le réseau optique, un peu comme une chenille qui avance sur le sol.
Par exemple, dans des configurations où certains atomes sont dans des creux tandis que d'autres sont dans des sommets, et d'autres encore se situent quelque part entre les deux, lorsque le cristal d'ions est tiré à travers le réseau optique, un atome peut glisser un peu vers le bas d'un sommet, libérant un peu de stress et permettant à un deuxième atome de sortir plus facilement d'un creux - ce qui à son tour entraîne un troisième atome, et ainsi de suite.
"Ce que nous pouvons faire, c'est ajuster à volonté la distance entre les atomes pour qu'elle soit adaptée au réseau optique pour une friction maximale, ou dépareillée pour une absence de friction", explique Vuletic.
Gangloff ajoute que la technique du groupe pourrait être utile non seulement pour réaliser des nanomachines, mais également pour contrôler des protéines, des molécules et d’autres composants biologiques.
"Dans le domaine biologique, diverses molécules et atomes sont en contact les uns avec les autres, glissant comme des moteurs biomoléculaires, en raison de la friction ou de l'absence de friction", explique Gangloff. "Donc, cette intuition sur la façon d'organiser les atomes de manière à minimiser ou maximiser la friction pourrait être appliquée."
Tobias Schaetz, professeur de physique à l'Université de Fribourg en Allemagne, considère ces résultats comme une « percée évidente » dans la compréhension de « la physique fondamentale autrement inaccessible ». La technique, dit-il, peut être appliquée à un certain nombre de domaines, de l’échelle nanométrique à l’échelle macro.
"Les applications et l'impact associé de leur nouvelle méthode propulsent une grande variété de domaines de recherche étudiant les effets allant de la tectonique des radeaux aux systèmes biologiques et aux protéines motrices", explique Schaetz, qui n'a pas participé à la recherche. "Imaginez simplement une nanomachine dans laquelle nous pourrions contrôler la friction pour améliorer le contact pour la traction ou atténuer la traînée à la demande."
Référence : « Tuning friction atom-by-atom in an ion-cristal Simulator » par Alexei Bylinskii, Dorian Gangloff et Vladan Vuletić, 5 juin 2015,Science.
DOI : 10.1126/science.1261422
Ce travail a été financé en partie par la National Science Foundation et le Conseil national de recherches en sciences et en génie du Canada.
Ne manquez jamais une avancée :
Suivez-nous suretGoogle Actualités.
Partager.
