La friction est créée lorsque deux surfaces glissent l'une sur l'autre. Comme cela consomme de l'énergie supplémentaire, ce soi-disant frottement de glissement est considéré comme un aspect gênant mais inévitable des processus dynamiques. Cependant, mettre en mouvement un objet immobile, son frottement statique doit être surmonté en premier. En collaboration avec leurs collègues italiens, des chercheurs de l'Université de Constance ont démontré comment supprimer complètement le frottement statique entre deux surfaces. Cela signifie que même une force infime suffit à mettre des objets en mouvement. Surtout dans les pièces micromécaniques, où seules de petites forces sont en jeu, une friction statique qui disparaît peut conduire à des niveaux d'efficacité considérablement améliorés. Ces résultats ont été publiés dans l'édition actuelle de la revue en ligne Examen physique X ( PRX ).
Pour déplacer un bloc de bois sur une table, il faut le tirer. Lorsque Léonard de Vinci examina systématiquement cette relation d'une simplicité trompeuse il y a plus de 500 ans, il a découvert les lois fondamentales du frottement de glissement. Étant donné que le frottement de glissement génère généralement de la chaleur, il faut tirer constamment sur le morceau de bois pour compenser les pertes par friction. Cependant, générer du mouvement en premier lieu, ce n'est pas le frottement de glissement mais le frottement statique qu'il faut vaincre. Le frottement statique est généralement plus important que le frottement de glissement et résulte du verrouillage de la structure atomique des surfaces de contact. Les surfaces ne peuvent se libérer et se déplacer les unes contre les autres que lorsque la force appliquée a atteint des niveaux adéquats.
En collaboration avec des physiciens des universités de Milan et de Trieste, un groupe de travail de l'Université de Constance dirigé par le professeur Clemens Bechinger a pu mener des expériences et des simulations numériques confirmant une prédiction faite par le physicien Serge Aubry dans les années 1980 :il a postulé que, si l'espacement du réseau entre les particules d'une surface différait légèrement de l'espacement du réseau de l'autre, le frottement entre les deux surfaces devrait disparaître complètement. Cela devrait même s'appliquer si les deux surfaces sont pressées l'une contre l'autre. En termes pratiques, cela signifierait qu'une force aléatoirement faible suffirait pour déplacer un morceau de bois pesant des tonnes sur une surface.
Cet effet s'observe particulièrement bien dans les contacts idéaux, où les deux surfaces sont parfaitement plates l'une contre l'autre. C'est ce genre de surfaces que Clemens Bechinger et son équipe ont pu créer dans un système modèle :En utilisant des faisceaux laser et des sphères de verre de l'ordre du micromètre, les colloïdes, ils ont pu créer un modèle bidimensionnel de deux surfaces se frottant l'une contre l'autre. Puisque les sphères chargées électriquement se repoussent, ils se positionnent dans une couche plate périodiquement ordonnée. Cette monocouche colloïdale forme l'une des deux surfaces. Les chercheurs ont créé la deuxième surface sous la couche de colloïdes en utilisant trois faisceaux laser. En raison de leur superposition, un léger cristal se forme, qui est une sorte de caisse à œufs optique avec des creux et des arêtes. "Par rapport aux surfaces réelles, ces surfaces optiques ont en plus l'avantage d'être entièrement transparentes, ce qui signifie que nous pouvons observer directement les processus à l'œuvre entre eux à l'aide d'un microscope, " dit Thorsten Brazda, le doctorant qui a mené les expériences dans le groupe de Bechinger pour sa thèse de doctorat.
Alors qu'Aubry limitait sa prédiction aux contacts unidimensionnels à des températures de point zéro, la collaboration de recherche a pu prouver que étendu, des contacts bidimensionnels à température ambiante peuvent également être mis en mouvement sans frottement statique. "Nous avons pu transformer le dispositif artificiel unidimensionnel d'Aubry en une situation réaliste et démontrer que son idée reste valable dans les systèmes bidimensionnels et à des températures finies, ", dit Clemens Bechinger.
L'observation directe des mouvements des particules a également permis aux chercheurs de comprendre la disparition des frottements statiques entre la monocouche colloïdale et le cristal léger :il s'avère que la monocouche colloïdale se tord très légèrement par rapport à la grille optique. De cette façon, les particules ne s'accrochent pas aux évidements du substrat, dont ils ne trouveraient pas facile de s'échapper. Au lieu, certains d'entre eux se positionnent autour des crêtes. Si une force externe est appliquée, ces particules n'ont pas à s'échapper des évidements mais sont libres de se déplacer immédiatement dès qu'une force minimale est exercée. Le frottement statique disparaît.
Ces résultats, qui sont en excellent accord avec les simulations numériques réalisées par l'équipe italienne, montrer que le frottement statique ne peut pas seulement être supprimé, mais aussi généré à volonté si la pression de contact entre les deux surfaces est augmentée. Ceci est important dans la mesure où le frottement statique - contrairement au frottement de glissement - est souvent un phénomène souhaité. Il nous permet de saisir des objets en toute sécurité et garantit une adhérence suffisante des roues. Cette façon de varier la friction statique crée de nouvelles opportunités pour déplacer facilement des objets sur des surfaces et les verrouiller en place en toute sécurité. Ce serait un immense avantage dans les boîtes de vitesses ou les accouplements micro et nanomécaniques, puisque, ici, généralement, seules de très petites forces sont en jeu.
