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Nanotechnologies : plus de vibrations, moins de frottements !

ActualitéClassé sous :physique , nanotechnologie , frottement

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L'un des problèmes de la mécanique à l'échelle des nanotechnologies réside dans la nécessité de réduire les frottements. Deux équipes américaine et suisse ont pu contrôler les phénomènes de friction par des moyens différents : vibrations et champ électrique.

Si les phénomènes de frottement sont bien connus à grande échelle, il n'en n'est pas de même pour les systèmes mécaniques miniaturisés, où ils jouent un rôle accru du fait du rapport entre surface et volume.

Les phénomènes de frottements sont bien connus et maîtrisés dans l'environnement courant. Ce n'est pas le cas à très petites dimensions. Les systèmes développés grâce aux nanotechnologies, comme les moteurs ultra miniaturisés par exemple, présentent en effet un rapport surface sur volume très élevé. Du coup, les frottements prennent une importance cruciale : l'énergie cinétique se transforme vite et massivement en chaleur. Inutile d'employer un lubrifiant classique : l'efficacité est estompée du fait du volume utile très réduit.

Deux équipes, travaillant séparément, sont arrivées à des résultats intéressants. En Suisse, Anisoara Socoliuc de l'université de Bâle a appliqué des forces vibratoires à des surfaces en contact (1). En Californie, Jeon Young Park du Lawrence Berkeley National Laboratory a pu contrôler le frottement à l'aide d'un champ électrique (2).

Vibrations ou champ électrique ?

L'expérience suisse a consisté à utiliser la sonde d'un microscope à force atomique « AFM » (Atomic Force Microscope, dispositif à très haute résolution inventé en 1986 permettant de visualiser, de mesurer et de manipuler des objets à l'échelle nanométrique). La sonde, sorte de plaque de silicium très mince, a été mise en contact avec une petite surface plane composée de chlorure de sodium (NaCl). Au mouvement du cristal, la plaque de silicium « colle » au sel et connaît une série d'instabilités. L'application entre les deux surfaces d'une force perpendiculaire, sinusoïdale et entraînant des vibrations de fréquence élevée (56 000 mouvements par seconde), fait disparaître les instabilités et limite les frottements de plus d'un facteur 100 ! La raison : la force sinusoïdale diminue les "pics" et les "cuvettes" d'énergie liant le silicium et la surface cristalline.

Autre « manip » : côté californien, on a employé le même type de sonde en créant un frottement non plus sur un cristal de NaCl mais sur un substrat de silicium composé de deux zones : l'une ayant subi un dopage de type « N » (c'est-à-dire avec un excès d'électrons), l'autre étant de type « P » (ayant un excès de « trous », ou encore une carence en électrons). La création d'une faible différence de potentiel (4 V) a permis de modifier les forces de frottement dans la région de dopage « P ».

Certes, ici, et cela peut surprendre, les scientifiques ont seulement pu faire croître ces frottements, les multipliant par deux sans parvenir pour l'instant en expliquer la cause. Mais cela leur suffit pour affirmer : « cet effet montre que l'on pourrait, par la simple application d'un champ électrique (facile à créer et à moduler), contrôler des dispositifs nanométriques ». On peut donc espérer obtenir aussi une diminution.

On est pour l'instant au stade de l'étude de ces « nanofrottements ». Mais elle est essentielle dans l'optique de produire de façon industrielle, puis de commercialiser des systèmes mécaniques à l'échelle des nanotechnologies.

(1) : Science 313 207"Atomic-Scale Control of Friction by Actuation of Nanometer-Sized Contacts", Anisoara Socoliuc, Enrico Gnecco, Sabine Maier, Oliver Pfeiffer, Alexis Baratoff, Roland Bennewitz, Ernst Meyer

(2) : Science 313 186, "Electronic Control of Friction in Silicon pn Junctions", Jeong Young Park, D. F. Ogletree, P. A. Thiel, M. Salmeron

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