Les chercheurs de Skoltech ont expliqué pourquoi le frottement très faible obéit à des lois différentes de celles qui régissent le frottement régulier tel que nous le connaissons grâce à la physique scolaire. Entre autres caractéristiques inattendues et contre-intuitives, les lois de friction alternatives formulées par l'équipe révèlent pourquoi l'augmentation du poids d'un corps glissant le long d'une surface ne provoque pas nécessairement une friction plus importante.

Comprendre le fonctionnement du frottement au niveau microscopique pourrait ouvrir la voie au contrôle et à l’exploitation du frottement ultrafaible dans de nombreux mécanismes qui permettraient d’économiser d’énormes quantités d’énergie à l’échelle mondiale. Les chercheurs rapportent leurs conclusions dans Physical Review Letters. .

Dans une certaine mesure, chacun a une perception intuitive de la loi dite du frottement d’Amontons-Coulomb, dont nous observons régulièrement les manifestations dans la vie quotidienne. Formulée il y a plus de 300 ans, elle dit que la friction, qui se produit par exemple lorsque l'on traîne un corps lourd sur le sol, augmente avec le poids du corps. Les deux valeurs – la force de friction et le poids du corps – sont dites directement proportionnelles l'une à l'autre.

"Étonnamment, cette loi ne s'applique pas à la superlubrification, c'est-à-dire au cas de frottement extrêmement faible", déclare le professeur Nikolay Brilliantov de Skoltech, chercheur principal de l'étude.

"La friction superlubrique, qui est d'un ordre de grandeur inférieure à la friction conventionnelle, ne dépend pas du poids du corps, pour le dire en termes simples. Vous pouvez augmenter le poids du corps des milliers de fois, disons d'un kilogramme à quelques tonnes. - mais le frottement ne changera pas, restant aussi petit que pour 1 kilogramme. Ce phénomène est vraiment intriguant et appelle une explication."

Il existe quelques autres caractéristiques surprenantes de la superlubrification, telles que la dépendance inhabituelle de la force de frottement sur la vitesse de glissement, la température et la surface de contact – tout cela va à l'encontre des lois conventionnelles d'Amontons-Coulomb.

Une équipe de chercheurs de Skoltech dirigée par Brilliantov a résolu l'énigme de la superlubrification. Ils ont réalisé une étude complexe, avec des expériences menées par le groupe du professeur Albert Nasibulin, des simulations numériques menées par le chercheur Alexey Tsukanov du groupe de Brilliantov et la conceptualisation théorique du phénomène fournie par Brilliantov lui-même.

L'équipe a expliqué le mécanisme atomistique derrière l'indépendance déroutante de la force de friction par rapport au poids du corps coulissant (par rapport à la « charge normale », en termes scientifiques) et a formulé des lois de friction alternatives pour la superlubrification. Elles décrivent bien le phénomène mais contrastent fortement avec les lois d'Amontons-Coulomb.

En termes simples, les effets déroutants peuvent être expliqués comme suit. La superlubrification est associée à des surfaces très lisses, jusqu'au niveau atomique, comme la surface du graphène, un matériau à base de carbone. De plus, le contact des deux surfaces doit être incommensurable. Cela signifie que la rugosité au niveau atomique (également appelée ondulation) des deux surfaces ne doit pas être mutuellement cohérente.

En d’autres termes, les « collines » potentielles d’une surface ne doivent pas entrer dans les « puits » potentiels de l’autre. Si les « collines » et les « puits » s'emboîtent, les deux surfaces se verrouillent et une force considérable est nécessaire pour les faire glisser. Les surfaces incommensurables, en revanche, ne se verrouillent pas et glissent donc facilement.

Néanmoins, des frictions peuvent survenir en raison des fluctuations thermiques. Les fluctuations hors plan des surfaces au contact augmentent sensiblement leur rugosité au niveau atomique, ce qui entrave le mouvement relatif des deux surfaces.

Les chercheurs de Skoltech ont cependant démontré que toutes les fluctuations thermiques ne sont pas importantes :seules celles qui sont synchronisées, lorsque les deux surfaces se plient simultanément, tout en restant en contact étroit. De telles fluctuations nécessitent une énergie minimale et ne dépendent pas de la charge normale, c'est-à-dire du poids du corps coulissant. Ceci explique pourquoi le frottement est indépendant du poids. De plus, le glissement relatif des surfaces entraîne ces fluctuations synchrones – les « rides de surface » – dans la direction du mouvement avec la vitesse de glissement.

Un tel entraînement nécessite de l'énergie, qui se dissipe dans la masse du matériau sous forme de chaleur, ce qui entraîne une force de friction dissipative proportionnelle à la vitesse.

Plus la température des surfaces est élevée, plus l'amplitude des fluctuations synchrones est grande. Plus la surface de contact est grande, plus le nombre de fluctuations de surface qui entravent le mouvement relatif est important. L'analyse quantitative de ces effets donne les lois respectives de superlubrification rapportées dans l'article.

Plus d'informations : Nikolay V. Brilliantov et al, Mécanisme atomistique d'indépendance de la force de friction sur la charge normale et autres lois de friction pour la superlubrification structurelle dynamique, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.266201

Informations sur le journal : Lettres d'examen physique

Fourni par l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo