NIMS, l'Université de Tokyo et l'Université d'Hiroshima ont découvert conjointement pour la première fois, par le calcul théorique et l'expérimentation, que les frottements macroscopiques se produisant entre les surfaces minérales argileuses proviennent de forces électrostatiques interatomiques entre ces surfaces. Cette découverte peut faciliter la conception de matériaux lubrifiants solides et la compréhension des mécanismes de glissement de faille causant les séismes.

Forces de frottement entre les surfaces des cristaux stratifiés, comme les minéraux argileux, sont généralement faibles. Cette propriété est considérée comme une cause de glissements de terrain et de mouvements de failles dans la nature. Des efforts actifs ont été faits dans la recherche sur le frottement pour développer des lubrifiants solides réduisant le frottement et à d'autres fins. On pensait que l'origine du frottement entre les surfaces minérales argileuses était induite par certaines sortes de forces de liaison; cependant, ces forces n'étaient pas comprises en détail en raison des influences complexes des forces électrostatiques et intermoléculaires entre les surfaces minérales argileuses, différences d'orientation cristallographique entre ces surfaces, la rugosité de surface et la présence d'impuretés.

Cette équipe de recherche conjointe a étudié la muscovite, un minéral argileux stratifié, avec des surfaces planes et lisses au niveau atomique. L'équipe a d'abord éliminé l'humidité de l'espace entre les surfaces de muscovite (20 cm x 40 cm de surface) en appliquant une pression élevée dans des conditions sèches. L'équipe a ensuite mesuré les forces de friction entre les surfaces de muscovite à différentes positions de glissement. Par conséquent, l'équipe a observé des particules d'usure produites à partir de surfaces de muscovite usées et a constaté que ces particules peuvent avoir annulé l'effet de l'orientation cristallographique sur les forces de frottement. L'équipe a également déterminé les forces de friction générées en estimant les forces électrostatiques interatomiques entre les surfaces en contact à l'aide de calculs de mécanique quantique, en supposant que l'effet de l'orientation cristallographique sur les forces de frottement est nul. Les forces de frottement calculées correspondaient presque parfaitement aux résultats expérimentaux. Ainsi, l'équipe de recherche a confirmé pour la première fois que les frottements se produisant entre les surfaces de minéraux argileux de plusieurs dizaines de centimètres sont contrôlés par des forces électrostatiques à l'échelle atomique.

Dans les études futures, les chercheurs espèrent développer une théorie qui expliquera la force de friction dans une large gamme de minéraux argileux, en plus de la muscovite. Une telle théorie peut fournir des directives de conception de matériaux pour les lubrifiants solides réduisant la friction et d'autres produits liés à la friction.