(Phys.org) - Lorsque des morceaux de graphite de taille nanométrique glissent les uns contre les autres, il ne peut y avoir pratiquement aucune friction entre eux. Pendant de nombreuses années, frottement ultra-faible, ou "superlubrification, " était connu pour n'exister qu'à l'échelle nanométrique. Puis en 2012, les scientifiques ont d'abord démontré une superlubrification au-delà de l'échelle nanométrique lorsqu'ils ont découvert le phénomène dans le graphite de la taille d'un micromètre. En s'appuyant sur cette recherche et sur des recherches connexes, les scientifiques dans une nouvelle étude ont maintenant théoriquement montré que le frottement ultra-faible pouvait s'étendre sur des dizaines de centimètres.

Dans la nouvelle étude publiée dans Lettres d'examen physique , chercheurs Ming Ma, et al., ont théoriquement étudié la longueur maximale d'une chaîne de particules qui présente une superlubrification. Leur modèle montre que cette longueur critique dépend des paramètres expérimentaux et des propriétés du matériau, surtout sa rigidité. Pour les matériaux très rigides, comme les nanotubes de carbone, les scientifiques ont découvert que la superlubrification peut tenir jusqu'à des dizaines de centimètres, après quoi il disparaît brutalement.

"Ces résultats indiquent une voie pour atteindre un frottement ultra-faible à l'échelle macro, et peut potentiellement aider à la conception rationnelle de matériaux superlubrifiants pour des applications nanomécaniques, " Michel Urbakh, professeur à l'Université de Tel Aviv et l'un des principaux auteurs de l'étude, Raconté Phys.org .

Comme l'expliquent les scientifiques, Le frottement ultra-faible repose sur un arrangement spécial d'atomes à la surface d'un matériau. En graphite, par exemple, les atomes de surface ont un arrangement hexagonal bosselé comme des cartons/boîtes à œufs. Dans certaines orientations, deux surfaces de graphite peuvent s'engrener de manière à ce que les "bosses" puissent glisser l'une sur l'autre sans effort, et le frottement tombe à presque zéro.

En revanche, lorsque les mêmes morceaux de graphite sont légèrement tournés l'un par rapport à l'autre, leurs atomes de surface ne peuvent plus glisser facilement, et les matériaux présentent les effets familiers du frottement.

Ce type de changement de configuration géométrique peut expliquer la transition abrupte entre les régimes sans friction et avec friction dans les modèles des chercheurs. Un nanotube plus court, ou chaîne, présente une superlubrification parce que ses particules ne correspondent pas, ou incommensurable, avec les atomes du substrat sous-jacent. Puisque les atomes évitent de s'imbriquer les uns avec les autres, la chaîne glisse facilement sur la surface. Mais pour une chaîne plus longue, une instabilité mécanique déclenche un appariement de maille au bord d'attaque de la chaîne. Par conséquent, les particules deviennent en registre, ou proportionné, avec les atomes dans le réseau du substrat, et le frottement augmente soudainement.

Les simulations des chercheurs ont également révélé que la longueur critique de la chaîne forme une frontière nette entre deux phases en fonction de la distance interparticulaire :la distance entre les particules est plus petite dans la chaîne plus courte que dans la chaîne plus longue. A exactement la longueur critique, un saut brusque sur cette distance se produit, avec le brusque saut de friction.

En comprenant mieux la superlubrification et ses limites, les chercheurs espèrent étendre l'effet à la plus grande échelle possible. La superlubrification pourrait s'avérer très utile pour la conception de systèmes nanométriques à faible usure, et il pourrait être encore plus utile s'il pouvait être étendu à de plus grandes échelles.

"Le défi ici est d'augmenter la taille des objets coulissants sans perdre la géométrie parfaite de la boîte à œufs nécessaire à la superlubrification, " a déclaré le coauteur Andrea Vanossi au Centre national de simulation CNR-IOM Democritos et à l'École internationale d'études avancées (SISSA), tous deux à Trieste, Italie. "Normalement, à mesure que la taille des objets augmente, les défauts et les imperfections entrent en ligne de compte. Seulement récemment, grâce aux avancées impressionnantes des techniques de synthèse, a-t-il été possible de produire sans défaut, nanostructures allongées atomiquement parfaites telles que les nanotubes de carbone, nanorubans de graphène, et les polymères conjugués. Une fois qu'il est possible d'avoir deux grandes échelles, des surfaces géométriquement parfaites frottent les unes contre les autres sans frottement, et d'appliquer ce matériau comme revêtement sur des roulements à billes et des pièces mobiles de machines, il y aura d'énormes économies à venir dans les domaines de l'énergie, la consommation de ressources, et entretien."

Les chercheurs travaillent actuellement à élargir leur approche pour comprendre les mécanismes limitant le frottement ultra-faible entre les matériaux 3D.

© 2015 Phys.org