La plupart des surfaces naturelles et artificielles sont rugueuses :les métaux et même les verres qui semblent lisses à l'œil nu peuvent ressembler à des chaînes de montagnes déchiquetées au microscope. Il n'existe actuellement aucune théorie uniforme sur l'origine de cette rugosité malgré sa présence à toutes les échelles, de l'atomique à la tectonique. Les scientifiques soupçonnent que les surfaces fabriquées rugueuses sont formées par une déformation plastique irréversible qui se produit dans de nombreux processus d'usinage mécanique de composants, comme le fraisage. Le professeur Dr. Lars Pastewka du groupe Simulation du Département d'ingénierie des microsystèmes de l'Université de Fribourg et son équipe ont simulé de telles charges mécaniques dans des simulations informatiques. Les chercheurs ont découvert que les surfaces faites de différents matériaux, qui montrent des mécanismes distincts de déformation plastique, développent toujours une rugosité de surface avec des propriétés statistiques identiques. Ils ont publié leurs résultats dans Avancées scientifiques .

Les surfaces géologiques telles que les chaînes de montagnes sont créées par déformation mécanique, ce qui conduit alors à des processus tels que la rupture ou l'usure. Les surfaces synthétiques passent généralement par de nombreuses étapes de façonnage et de finition, comme le polissage, rodage et meulage, explique Pastewka. La plupart de ces changements de surface, qu'elles soient naturelles ou synthétiques, conduire à des déformations plastiques sur la plus petite échelle de longueur atomique :« Même au fond des fissures de la plupart des matériaux cassants comme le verre, il existe une zone de traitement finie dans laquelle le matériau est déformé plastiquement, " explique le chercheur fribourgeois. " La rugosité à ces plus petites échelles est importante car elle contrôle la zone de contact atomique intime lorsque deux surfaces sont pressées l'une contre l'autre et donc l'adhérence, conductivité et autres propriétés fonctionnelles des surfaces en contact."

En collaboration avec des collègues du Karlsruhe Institute of Technology, l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne/Suisse, et les laboratoires nationaux Sandia/États-Unis, et financé par le Conseil européen de la recherche (ERC), Pastewka et son groupe ont pu simuler la topographie de surface pour trois systèmes de matériaux de référence sur les supercalculateurs JUQUEEN et JUWELS du Jülich Supercomputing Center, qui comprenait de l'or monocristallin, un alliage de nickel à haute entropie, fer et titane, et le verre métallique cuivre-zirconium, dans laquelle les atomes ne forment pas des structures ordonnées mais un motif irrégulier. Chacun de ces trois matériaux est connu pour avoir des propriétés micromécaniques ou moléculaires différentes. Les scientifiques ont maintenant étudié le mécanisme de la déformation et les changements résultants de l'échelle atomique à la fois dans le solide et à sa surface.

Pastewka, qui est également membre du Pôle d'Excellence Vivre, Systèmes de matériaux adaptatifs et autonomes en énergie (livMatS), et son équipe ont découvert que malgré leurs différentes structures et propriétés matérielles, les trois systèmes, lorsqu'il est compressé, développer des surfaces rugueuses avec une topographie dite auto-affinée. Cela signifie que les systèmes ont des structures géométriques identiques quelle que soit l'échelle à laquelle ils sont observés :la topographie de surface au microscope virtuel à l'échelle nanométrique ne peut être distinguée de la structure des paysages de montagne à l'échelle kilométrique. "C'est une explication, " dit Pastewka, "Pourquoi une structure presque universelle de rugosité de surface est observée dans les expériences."