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Nanotechnologie : le MIT fait disparaître la force de frottement

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Les frottements sont présents partout autour de nous. Les mécaniciens s'en accommodent mais pour les nanomachines, ces dispositifs minuscules intervenant à l'échelle moléculaire, ils deviennent un énorme handicap. Une équipe de chercheurs du MIT veut, ni plus ni moins, les faire disparaître. Grâce à la suprafriction.

Vue d'une nanomachine réalisée à l'aide du logiciel libre QuteMol03. © QuteMol03 Snapshot, Wikipedia

Lorsqu'un train freine à grande vitesse, que les roues d'une voiture sont en mouvement sur le sol, qu'une craie crisse sur un tableau noir et même lorsque le flux des protéines se propage dans le sang, bref, à chaque fois que deux surfaces sont en interaction et glissent l'une sur l'autre, il y a frottement. Un phénomène qui provoque, entre autres, des pertes d'énergie, des échauffements et une usure qui peuvent nuire au bon fonctionnement et à l'efficacité du système considéré.

Rappelons que la force de frottement s'oppose toujours au mouvement. Classiquement, deux facteurs peuvent influencer la grandeur de cette force : le type de matériaux et la forme des objets. La tribologie, qui étudie les frottements entre solides, reste cependant une science complexe. Car, fondamentalement, le frottement résulte notamment de l'interaction entre les atomes de surface. Pour mieux comprendre quels sont les mécanismes en jeu, des physiciens du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont développé une technique expérimentale qui leur permet de simuler le frottement à l'échelle nanométrique. Ils ont ainsi pu observer le comportement individuel des atomes à l'interface. En modifiant la disposition de ces atomes, ils sont parvenus à régler l'intensité du frottement entre les deux surfaces jusqu'à le faire disparaître.

Le phénomène dit de suprafriction, selon lequel deux surfaces peuvent glisser l'une sur l'autre sans aucun frottement, est connu depuis les années 1990. Vladan Vuletic, professeur de physique au MIT, assure que maîtriser ce phénomène pourrait aider au développement de nanomachines (moteurs, pinces, transporteurs, etc.), ces minuscules robots construits à partir de composants de tailles moléculaires. En effet, à l'échelle nanométrique, l'usure provoquée par les forces de frottement est encore plus palpable qu'à notre échelle.

La surface ondulée représente un réseau optique. Les boules représentent des ions. Les ressorts qui relient les ions représentent les forces de Coulomb qui s’exercent entre eux. Lorsque l’espacement entre les ions correspond à celui du réseau optique, le frottement est maximal (schéma a). Lorsque l’espacement entre les ions ne correspond plus à celui du réseau optique, le frottement disparaît et les ions glissent doucement le long de la surface (schéma b). © MIT

Du frottement maximal à la suprafriction

Pour simuler le phénomène de frottement à l'échelle nanométrique, l'équipe du MIT a d'abord imaginé 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. Les motifs d'interférences ainsi créés ont formé une surface parsemée de crêtes (potentiel électrique maximal) et de creux (potentiel électrique minimal). Cette surface ressemble un peu à de la tôle ondulée.

Le cristal ionique a quant à lui été généré à partir d'atomes d'ytterbium. Ceux-ci ont d'abord été ionisés puis refroidis juste au-dessus du zéro absolu. À ce stade, les ions ont pu être piégés par un champ électrique. Les forces de répulsion, appelées forces de Coulomb, qui s'exercent naturellement entre eux, ont ensuite permis de les disposer selon un motif cristallin. Ces mêmes forces ont également permis aux chercheurs du MIT de déplacer le cristal ionique sur le réseau optique, de l'étendre et de le contracter pour faire varier l'espace entre les ions.

Première conclusion de l'équipe du MIT : lorsque les ions sont espacés régulièrement et selon des intervalles qui correspondent à l'espacement du réseau optique, le frottement est maximal. Les ions, en effet, ont tendance à vouloir demeurer dans les creux au potentiel électrique plus faible. Sauf si une force suffisante est appliquée pour les en déloger.

Seconde conclusion et sans doute la plus spectaculaire : lorsque l'espacement entre les ions ne correspond pas à celui du réseau optique, le frottement disparaît. Les deux surfaces se déplacent alors l'une sur l'autre, de manière très fluide. À l'image de ce que peut faire une chenille de chantier sur un sol accidenté. Une force infime suffit alors à faire glisser dans les creux les ions qui se trouvaient en haut des crêtes. Le mouvement libère un peu d'énergie et facilite la remontée vers une crête des ions qui se trouvent au fond des creux et ainsi de suite.

« Nous sommes désormais capables de régler, à volonté, l'intensité du frottement entre ces deux surfaces, en jouant simplement sur la distance qui sépare les ions dans le cristal », indique Vladan Vuletic. Une découverte qui pourrait avoir de nombreuses répercussions, notamment dans le domaine de la conception de nanomachines. Vladan Vuletic voit déjà plus loin car le dispositif expérimental mis au point par son équipe pourrait également servir à étudier le potentiel rôle des effets quantiques sur le phénomène de frottement. Une question qui n'a, pour l'heure, encore jamais pu être investiguée, ni théoriquement, ni expérimentalement !

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