Les chercheurs ont fait des découvertes révolutionnaires en matière de superlubrification, démontrant comment cet état de friction minimale pourrait révolutionner l’efficacité énergétique des systèmes mécaniques. Leurs travaux révèlent que la friction dans le domaine de la superlubrification défie les lois traditionnelles, offrant des applications prometteuses pour réduire la consommation énergétique mondiale. Crédit : Issues.fr.com
Des scientifiques dirigés par l’Université de Leicester ont découvert le pouvoir superlubrifiant, où les surfaces subissent des niveaux de friction extrêmement faibles.
Alors que beaucoup d’entre nous font preuve de prudence pour éviter de glisser par temps glacial, des scientifiques dirigés par l’Université de Leicester étudient comment rendre les surfaces encore plus glissantes !
Ils ont résolu une énigme concernant les principes de superlubrification – un état dans lequel deux surfaces subissent peu ou presque de friction lorsqu’elles glissent l’une sur l’autre. Ils ont publié leurs conclusions dans un article pour la revue Lettres d’examen physique.
Comprendre la superlubrification
La superlubrification est associée à des surfaces moléculaires lisses telles que graphène et n’a été observé qu’en laboratoire où ces surfaces sont synthétisées à des échelles nanométriques et micrométriques. Cela semble très prometteur pour les applications technologiques où il pourrait potentiellement réduire la friction jusqu’à 1 000 à 10 000 fois, par rapport à la friction conventionnelle dans les machines et les mécanismes.
La plupart des gens savent intuitivement que le frottement – la résistance d’un objet au glissement – est plus important pour les objets plus lourds que pour les objets plus légers, également connue sous le nom de loi de frottement d’Amontons-Coulomb formulée il y a plus de 300 ans.
Cependant, cela ne s’applique pas au pouvoir superlubrifiant. Ce phénomène est jusqu’à des dizaines de milliers de fois inférieur au frottement classique et la force de frottement ne dépend pas du poids d’un objet. En d’autres termes, augmenter le poids d’un corps de quelques grammes à quelques dizaines de kilogrammes ne modifierait pas le niveau de force de friction.
Illustration du montage pour des expériences numériques ‘in silico’ (simulations MD). La pointe de Cu, recouverte d’une couche de graphène (rouge), glisse sur un substrat de Cu recouvert d’une autre couche de graphène (bleu). Crédit : Université de Leicester
Nouvelles découvertes en friction
Mais un groupe international de scientifiques, dirigé par le professeur Nikolai Brilliantov de l’Université de Leicester, a découvert que les fluctuations « synchrones » de la surface des objets, provoquées par des vibrations aléatoires des atomes de la surface, donnent lieu à des frictions. De telles vibrations existent à toute température non nulle et leur intensité diminue avec la diminution de la température. Cela signifie qu’en abaissant la température de surface, les effets du frottement peuvent être encore réduits.
Le professeur Brilliantov, de la School of Computing and Mathematical Sciences de Leicester, a déclaré : « Une différence aussi spectaculaire avec la friction courante est intrigante et nécessite une explication. Il existe d’autres caractéristiques surprenantes du pouvoir superlubrifiant, telles que la dépendance inhabituelle de la force de frottement sur la vitesse de glissement, sur la température et sur la surface de contact. Toutes ces dépendances sont opposées à celles prédites par les lois traditionnelles d’Amontons-Coulomb.
« Expliquer le comportement énigmatique de la superlubrification aidera à contrôler les frottements ultra-faibles, ce qui peut ouvrir les horizons à couper le souffle de ses applications industrielles. »
Méthodes de recherche et résultats
Pour étudier les principes de superlubrification, un contact de deux surfaces moléculaires lisses a été créé – une pointe glissant sur un substrat, toutes deux recouvertes d’une couche de graphène – et la force de friction a été mesurée par microscopie à force latérale. Ils ont également réalisé des expériences numériques « in silico » à grande échelle en utilisant des simulations de dynamique moléculaire pour créer un modèle très réaliste du phénomène réel.
Les deux surfaces doivent être incommensurables, ce qui signifie que les « collines » potentielles dans la structure moléculaire d’une surface ne doivent pas correspondre aux « puits » potentiels de l’autre surface. Les surfaces sont comme deux boîtes à œufs assemblées : si elles s’emboîtent, elles se verrouillent et il faut plus de force pour provoquer le glissement.
Si la température des surfaces n’est pas nulle, une force de frottement apparaît, due aux ondulations superficielles, provoquées par les fluctuations thermiques. Les scientifiques ont démontré que les fluctuations thermiques « synchrones », lorsque deux surfaces pliées simultanément, restant en contact étroit, sont responsables du frottement. Plus la température des surfaces est élevée, plus l’amplitude des fluctuations synchroniques est grande ; plus la surface de contact est grande, plus le nombre de fluctuations de surface entravant le mouvement relatif est important.
Implications futures
Le professeur Brilliantov ajoute : « Nous avons pu expliquer le mécanisme atomistique de l’indépendance énigmatique de la force de friction sur le poids d’un corps et formuler de nouvelles lois de friction pour la superlubrification. Ces lois, bien que contrastant fortement avec les lois d’Amontons-Coulomb, décrivent plutôt bien ce phénomène.
«Une fois que des couches moléculaires à surface lisse seront produites à l’échelle des millimètres ou des centimètres, tous les contacts mobiles, rotatifs et oscillants des machines et des mécanismes seront recouverts de telles couches de surface. Cela réduira considérablement la consommation d’énergie dans le monde. Pour diminuer encore la consommation d’énergie, les contacts les plus importants seront éventuellement maintenus à basse température. »
