(Phys.org)—L'usure est une réalité de la vie. Lorsque les surfaces frottent les unes contre les autres, ils se décomposent et perdent leur forme d'origine. Avec moins de matériau pour commencer et une fonctionnalité qui dépend souvent de manière critique de la forme et de la structure de la surface, l'usure affecte les objets à l'échelle nanométrique plus fortement que leurs homologues à l'échelle macroscopique.

Pire, les mécanismes derrière les processus d'usure sont mieux compris pour des choses comme les moteurs de voiture que pour les dispositifs nanotechnologiques. Mais maintenant, des chercheurs de la School of Engineering and Applied Science de l'Université de Pennsylvanie ont démontré expérimentalement l'un des mécanismes à l'origine de l'usure à la plus petite échelle :le transfert de matière, atome par atome, d'une surface à l'autre.

La recherche a été menée par Tevis Jacobs, doctorant au Département de science et génie des matériaux, et Robert Carpick, directeur du département de génie mécanique et de mécanique appliquée.

Leurs recherches ont été publiées dans la revue Nature Nanotechnologie .

A l'échelle nanométrique, l'usure est principalement appréhendée à travers deux processus, rupture et déformation plastique. La fracture est l'endroit où de gros morceaux d'une surface se brisent à la fois, comme quand la pointe d'un crayon se détache au milieu d'une phrase. La déformation plastique est ce qui se passe lorsque la surface change de forme ou se comprime sans se casser, comme lorsque le tranchant du couteau devient émoussé ou plié.

Ces mécanismes affectent généralement des milliers ou des millions d'atomes à la fois, alors que l'usure à l'échelle nanométrique procède souvent par un processus beaucoup plus graduel. Déterminer les mécanismes derrière ce processus plus progressif est essentiel pour améliorer ces dispositifs.

« À l'échelle nanométrique, l'usure est un problème très important, " dit Jacobs. " La nanotechnologie développe des pièces de plus en plus petites pour de très petites machines. Leurs interfaces de contact s'usent très vite, survivant parfois pendant des centaines de cycles alors qu'ils doivent survivre pendant des milliards de milliards ou plus. »

Un mécanisme d'usure qui avait été supposé pour l'échelle nanométrique est un processus connu sous le nom d'attrition atomique. Là, les atomes d'une surface sont transférés à l'autre surface via une série de réactions chimiques individuelles de formation et de rupture de liaison. D'autres chercheurs ont tenté de tester ce procédé en mettant deux surfaces en contact et en glissant l'une contre l'autre.

Ces enquêtes précédentes impliquaient des microscopes à force atomique. L'utilisation d'un AFM consiste à faire glisser une pointe très pointue montée sur un porte-à-faux flexible sur une surface tandis qu'un laser dirigé vers le porte-à-faux mesure avec précision la quantité de mouvement de la pointe. En utilisant la pointe comme l'une des surfaces dans une expérience d'usure, les chercheurs peuvent contrôler avec précision la distance de glissement, vitesse de glissement et charge dans le contact. Mais l'AFM ne visualise pas du tout l'expérience; le volume d'atomes perdus de la pointe ne peut être déduit ou examiné qu'après coup, et les mécanismes d'usure concurrents, une rupture et une déformation plastique ne sont pas à exclure.

La percée de l'équipe Penn a été de mener des expériences d'usure de style AFM à l'intérieur d'un microscope électronique à transmission, ou TEM, qui fait passer un faisceau d'électrons à travers un échantillon (dans ce cas, la pointe nanométrique) pour générer une image de l'échantillon, grossie plus de 100, 000 fois.

En modifiant un instrument d'essai mécanique commercial qui fonctionne à l'intérieur d'un MET, les chercheurs ont pu faire glisser une surface plate en diamant contre la pointe en silicium d'une sonde AFM. En plaçant l'ensemble sonde-cantilever à l'intérieur du MET et en y exécutant l'expérience d'usure, ils ont pu mesurer simultanément la distance sur laquelle la pointe a glissé, la force avec laquelle il est entré en contact avec le diamant et le volume d'atomes enlevés dans chaque intervalle glissant.

« Nous pouvons regarder tout le processus en direct pour voir ce qui se passe lorsque les surfaces sont en contact, " dit Jacobs. " Alors, après chaque passage, nous utilisons le TEM comme un appareil photo et prenons une photo à grossissement encore plus élevé de la pointe. Nous pouvons tracer son contour et voir combien de volume a été perdu, jusqu'à 25 nanomètres carrés, ou environ 1250 atomes.

"Nous mesurons des changements de volume qui sont mille fois plus petits que ce qui peut être observé en utilisant d'autres techniques de détection d'usure."

Bien que cette nouvelle méthode de microscopie ne puisse pas imager des atomes individuels se déplaçant de la pointe de silicium au poinçon de diamant, cela a permis aux chercheurs de voir la structure atomique de la pointe d'usure suffisamment bien pour exclure la rupture et la déformation plastique comme mécanisme à l'origine de l'usure de la pointe. Prouver que les atomes de silicium de la pointe se liaient au diamant, puis restaient derrière, impliquait de combiner les données visuelles et de force dans un test mathématique.

"Si l'attrition atomique est ce qui se passe, " Carpick a dit, « alors la vitesse à laquelle ces liaisons se forment et la dépendance à la contrainte de contact - la force par unité de surface - est une science bien établie. Cela signifie que nous pouvons appliquer la cinétique chimique, ou théorie de la vitesse de réaction, au processus d'usure."

Maintenant qu'ils pouvaient mesurer le volume d'atomes enlevés, la distance à laquelle la pointe a glissé et la force de contact pour chaque essai expérimental, les chercheurs pourraient calculer la vitesse à laquelle les liaisons silicium-diamant se forment dans différentes conditions et la comparer aux prédictions basées sur la théorie de la vitesse de réaction, une théorie qui est couramment utilisée en chimie.

"Plus les atomes sont soumis à une force, plus ils sont susceptibles de former une liaison avec un atome sur la surface opposée, le taux d'usure devrait donc s'accélérer de manière exponentielle avec une contrainte supplémentaire, " Jacobs dit. "Voyant que dans les données expérimentales était un pistolet fumant. La tendance des données implique que l'on peut prédire le taux d'usure de la pointe, ne connaissant que les niveaux de stress au contact, tant que ce mécanisme d'usure est dominant."

Pour l'instant, ces prédictions ne peuvent être faites que sur l'usure du silicium sur le diamant dans le vide, bien que le choix de ces deux matériaux n'ait pas été accidentel. Ils sont courants dans les dispositifs et outils nanométriques pour la nanofabrication.

Les mathématiques derrière le mécanisme d'attrition atomique pourraient éventuellement être appliquées de manière fondamentale.

"Le but de cette piste de recherche est d'arriver au point où vous me dites les matériaux en contact, et vous me direz la période pendant laquelle ils sont en contact et les contraintes appliquées et je pourrai vous dire la vitesse à laquelle les atomes seront éliminés, ", a déclaré Jacobs.

"Avec une compréhension fondamentale de l'usure, vous pouvez intelligemment concevoir des surfaces et choisir des matériaux pour fabriquer des appareils plus durables, " dit Carpick.

Ce fondamental, la compréhension prédicative de l'usure pourrait grandement améliorer la conception nanomécanique, augmenter la fonctionnalité et diminuer les coûts.