La friction est difficile à prévoir et à contrôler, d’autant plus que les surfaces en contact sont rarement parfaitement planes. De nouvelles expériences démontrent que le degré de friction entre deux surfaces de silicium, même à grande échelle, est déterminé par la formation et la rupture de liaisons chimiques microscopiques entre elles. Cela permet de contrôler le degré de friction à l’aide de techniques de chimie de surface. Cette recherche a été publiée dans Physical Review Letters .
"Il y a un manque de compréhension quantitative du frottement, malgré son rôle crucial pour relever des défis aussi divers que la prévision des tremblements de terre et la réduction de la consommation d'énergie des dispositifs mécaniques", explique le docteur. chercheur Liang Peng, qui a mené le projet de recherche. Ce n’est pas une mince affaire :on estime que la friction est responsable de plus de 20 % de notre consommation énergétique mondiale. Le contrôle de la friction dans les machines est également important pour réduire l'usure des matériaux et augmenter la précision du positionnement.
Peng a travaillé avec d'autres chercheurs de l'Institut de physique et de l'Institut Van 't Hoff des sciences moléculaires de l'Université d'Amsterdam ainsi qu'avec le Centre de recherche avancée en nanolithographie (ARCNL). La recherche fait partie d'une collaboration en cours visant à étudier comment la friction à grande échelle apparaît à un niveau microscopique.
Ces dernières années, de nouvelles méthodes de recherche ont permis aux chercheurs de mieux comprendre ce qui se passe exactement lorsque deux surfaces entrent en contact et glissent l'une sur l'autre. Surtout, les surfaces ne sont jamais parfaitement lisses. À l'échelle du nanomètre, soit un milliardième de la taille d'un mètre, ils ressemblent à des paysages montagneux avec des sommets et des vallées prononcés.
Des expériences et simulations numériques antérieures ont démontré qu’à cette petite échelle, le frottement est largement déterminé par la formation et la rupture des liaisons entre les atomes de surface. Ceci est affecté non seulement par la rugosité des surfaces de glissement, mais également par la présence d'atomes ou de molécules (comme l'eau) à l'interface.
"Nous avons décidé d'étendre et d'appliquer ces mécanismes de nanofriction à des échelles plus grandes et industriellement pertinentes", explique Peng. À l’aide d’un instrument spécial appelé rhéomètre, les chercheurs ont étudié comment la quantité de friction entre une bille de silicium relativement rugueuse et une plaquette de silicium lisse dépend de la densité des liaisons chimiques microscopiques à l’interface. Le silicium (Si) est un matériau particulièrement intéressant à étudier grâce à son utilisation très répandue dans l’industrie des semi-conducteurs. Son abondance dans la croûte terrestre le rend également pertinent pour l'étude des tremblements de terre.
Après avoir nettoyé les surfaces des contaminants, les chercheurs ont découvert qu'il fallait beaucoup moins de force pour faire glisser la bille sur la plaquette (en d'autres termes, il y avait moins de friction) lorsque les surfaces étaient séchées plus longtemps dans de l'azote pur. D'autres expériences ont montré ce qui se passe au niveau des atomes :un séchage plus long réduit le nombre de groupes hydroxyle (OH) exposés à la surface du silicium. Lorsqu'ils sont mis en contact avec une autre surface de silicium, la présence de ces groupes entraîne la formation de liaisons silicium-oxygène-silicium (Si-O-Si) entre les deux surfaces.
La recherche démontre qu'il existe une relation frappante entre la force de frottement mesurée à grande échelle et la densité de groupes Si-OH microscopiques présents sur les deux surfaces de silicium avant le contact, qui contrôle le nombre de liaisons Si-O-Si établies lors du contact. La densité de ces liaisons chimiques est régulée en fixant la durée pendant laquelle les surfaces nettoyées sont séchées. Chose intéressante, cela signifie qu'il est possible de prédire et de contrôler la force de frottement entre les surfaces de silicium.
"Notre résultat est tout à fait remarquable car il démontre une compréhension quantitative du frottement macroscopique à partir des premiers principes. Nos résultats peuvent ainsi combler le manque de connaissances qui entrave le contrôle basé sur la compréhension du frottement", conclut Liang.
Plus d'informations : Liang Peng et al, Contrôle de la friction macroscopique grâce à la liaison siloxane interfaciale, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.226201
Informations sur le journal : Lettres d'examen physique
Fourni par l'Université d'Amsterdam
