Les « nano-machines » (environ un milliardième de mètre de taille) du futur auront besoin de minuscules dispositifs pour réduire la friction et permettre le mouvement. La molécule C60, également connu sous le nom de fullerène ou buckyball, a semblé à beaucoup un excellent candidat pour les nano-roulements. Malheureusement, les résultats jusqu'à présent ont été contradictoires, demande de poursuite d'études, comme celle réalisée par une équipe théorique impliquant SISSA, ICTP, CNR et EMPA. Grâce à une série de simulations informatiques, les scientifiques ont découvert la raison des divergences expérimentales et ont mis en lumière le véritable potentiel de ce matériau.
Il y a environ 3500 ans, l'homme a inventé la roue pour rendre la vie plus facile. Puis, grâce au génie de Léonard de Vinci, la roue a été réduite pour obtenir des roulements à billes. Et aujourd'hui? "Aujourd'hui, nous essayons de devenir encore plus petits :les scientifiques pensent aux nano-roulements", commente Andrea Vanossi, du CNR – Democritos et de l’Ecole Internationale des Hautes Etudes (SISSA) de Trieste, parmi les auteurs d'une étude qui vient d'être publiée dans Nanoéchelle . « À l'avenir, nous aurons de nombreuses nano-machines capables d'effectuer les tâches les plus diverses, par exemple le transport de médicaments à l'intérieur du corps humain. Afin d'économiser de l'énergie, bon nombre de ces véhicules devront pouvoir se déplacer efficacement, en utilisant le moins d'énergie possible, et des roulements à billes de taille "nano" peuvent aider à atteindre cet objectif".
"Les scientifiques pensaient pouvoir utiliser le C60, une nanosphère de carbone creuse, mesurant un nanomètre de diamètre", explique Erio Tosatti, professeur SISSA et autre auteur de l'étude", mais il y a un problème :les résultats expérimentaux sont en contradiction totale les uns avec les autres". C60 a une température (260° Kelvin) à laquelle les molécules deviennent soudainement libres de tourner, qui, espérons-le, a un rôle dans la friction. Les deux expériences les plus importantes réalisées à ce jour, cependant, ont donné des résultats contradictoires :au-dessus de cette température, lorsque le matériau a été amené à glisser sur un substrat, dans un cas, il n'y a pas eu de diminution significative du frottement, alors que dans l'autre la baisse a été dramatique, un bon 100%. « Que se passe-t-il ? Si nous supposons que les mesures sont correctes et que les expériences ont été effectuées correctement (et nous n'avons aucune raison de croire le contraire), comment expliquons-nous cette différence ?", se demande Vanossi. "Pour cette raison, nous avons décidé de vérifier".
L'équipe (une collaboration entre SISSA, le Centre International de Physique Théorique "Abdus Salam" ICTP de Trieste, le Conseil national italien de la recherche CNR, et les Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux) a mené une étude théorique, étude basée sur la simulation.
"Nous avons simulé la petite pointe d'un microscope électronique portant un éclat C60, qui a été traîné sur une surface également en C60", explique Vanossi. "Nous avons découvert que lorsque le flocon était attaché de telle manière qu'il ne pouvait pas tourner, le frottement ne diminuait pas, même si on élevait la température au-dessus de 260°K. C'est comme si les paliers constituant l'écaille s'emboîtaient dans le substrat, sans effet nano-porteur. Cependant, lorsque le flocon était libre de tourner, il y avait une chute spectaculaire du frottement et le flocon pouvait glisser sur la surface beaucoup plus facilement". Mais ici, la baisse du frottement n'est pas due à l'effet de roulement à billes, mais au changement de géométrie de contact.
Les deux états reproduisent donc les résultats des deux expériences. "Nos données reflètent fidèlement les observations empiriques", conclut Tosatti. "Bien sûr, cela n'augure rien de bon pour l'utilisation future de fullerite pour réduire la friction à l'échelle nanométrique, en ce que la fonction nanoporteuse n'est pas confirmée, mais il fait enfin la lumière sur la physique de ce problème".
