Les limitations technologiques ont rendu difficile l'étude du frottement à l'échelle atomique, mais des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie et de l'Université de Californie, Merci, ont maintenant fait des progrès dans cette quête sur deux fronts.

En accélérant un véritable microscope à force atomique et en ralentissant une simulation, l'équipe a mené les premières expériences à l'échelle atomique sur le frottement à des vitesses qui se chevauchent.

L'étude a été dirigée par l'étudiant diplômé Xin-Zhou Liu et le professeur et directeur du département Robert Carpick, à la fois du département de génie mécanique et de mécanique appliquée de la Penn's School of Engineering and Applied Science, et Ashlie Martini, professeur agrégé à l'École d'ingénierie de l'UC Merced, avec Zhijiang Ye, un étudiant diplômé à UC Merced. Yalin Dong, un ancien membre du groupe de recherche de Martini, et Philippe Egberts, puis membre du groupe de recherche de Carpick, également contribué à la recherche.

Leur étude a été publiée dans Lettres d'examen physique .

Un phénomène connu sous le nom de "frottement stick-slip" est très souvent impliqué dans le glissement à la fois à l'échelle macro et atomique. La résistance associée au frottement est le produit de points de contact atomiques entre deux objets temporairement collés ensemble, où ils restent jusqu'à ce que la force appliquée fournisse suffisamment d'énergie élastique pour que ces points se séparent. Ces points glissent alors et glissent jusqu'à ce qu'ils se bloquent à nouveau. A l'échelle atomique, des points de blocage se produisent pour chaque ensemble répété d'atomes le long de la direction de glissement.

L'étude des interactions atomiques qui sous-tendent la friction stick-slip est intrinsèquement difficile car les points de contact sont obscurcis en affleurant les uns contre les autres. Pour contourner ce problème, les chercheurs en friction utilisent souvent la pointe d'un microscope à force atomique, ou AFM, un instrument ultra-sensible capable de mesurer les forces du nanonewton, comme l'un des points de contact. Étant donné qu'une pointe AFM fonctionne un peu comme une aiguille d'enregistrement, les chercheurs peuvent mesurer la friction subie par la pointe lorsqu'elle est traînée sur la surface. Les chercheurs en friction utilisent également des simulations, qui peut modéliser la dynamique de tous les atomes individuels.

"Une approche puissante consiste à combiner l'expérimentation avec des simulations, " Liu a dit, "Mais le problème majeur dans le passé était que les vitesses de glissement auxquelles les expériences et les simulations sont effectuées ne correspondent pas."

La qualité des mesures dans une expérience AFM dépend de l'isolement de la pointe de toute vibration parasite, donc traditionnellement les chercheurs traînent la pointe très lentement, se déplaçant d'environ un micromètre par seconde au plus rapide. Pour faire correspondre cette expérience à une simulation, les atomes individuels de la pointe et de la surface sont modélisés sur ordinateur, et la pointe virtuelle est traînée sur la même distance que la vraie pointe AFM.

Cela pose un problème, cependant, car, pour capturer l'impact des atomes individuels, chaque trame dans les simulations doit être calculée en pas de femtoseconde. Un ordinateur traitant un million de pas par seconde aurait besoin d'environ 30 ans pour simuler la vitesse du micromètre par seconde de l'expérience AFM réelle.

« Cela signifie obtenir la même distance dans un laps de temps plus court, nous devons déplacer beaucoup la pointe du modèle, Plus vite, " dit Martini.

Avec la vitesse de glissement des pointes virtuelles qui démarre un million de fois plus vite que les pointes physiques, les chercheurs ont décidé de se rencontrer au milieu. Le contingent de l'UC Merced a travaillé sur le ralentissement de la pointe dans leurs simulations, tandis que leurs homologues de Penn ont développé des moyens d'accélérer leurs expériences physiques.

Comme les moteurs traditionnels ne peuvent pas déplacer les pointes AFM avec la précision nanoscopique nécessaire à leurs expériences, la pointe et le porte-à-faux sur lequel elle est montée sont entraînés par une plaque piézoélectrique. La couche supérieure de ce type de plaque se décale latéralement de la couche inférieure lorsqu'une certaine tension est appliquée, en poussant le porte-à-faux et la pointe sur une surface d'échantillon.

"Pour la résolution requise pour notre étude du frottement atomique, le scanner à l'intérieur d'un AFM commercial ne peut atteindre que quelques centaines de nanomètres par seconde, " Carpick a déclaré. "C'est une limitation intrinsèque de l'instrument; si vous dépassez cette vitesse maximale, vous obtenez de grandes oscillations dans votre signal. Notre solution consistait à fabriquer une plaque piézo à cisaillement très compacte et à l'utiliser pour déplacer l'échantillon au lieu de la pointe."

En déplaçant l'échantillon, un film mince d'or enduit sur une matrice de silicium, au lieu de la pointe qui est entraînée par un scanner beaucoup plus lourd, l'équipe Penn a pu augmenter radicalement la vitesse globale de l'expérience. Avec une masse inférieure, la plus petite plaque peut se déplacer plus rapidement sans provoquer d'oscillations bruyantes.

"Le mouvement relatif est le même, " Liu a dit, « Mais cela signifie que nous pouvons aller mille fois plus vite qu'avant tout en conservant la résolution dont nous avons besoin. Nous avons dû ajouter une toute nouvelle électronique pour capturer les données, car personne n'a eu à les enregistrer aussi rapidement auparavant. »

Pendant que l'équipe Penn accélérait leurs systèmes, l'équipe UC Merced les ralentissait. Les chercheurs ont profité des périodes d'inactivité relativement longues où la pointe était coincée, en attendant assez d'énergie pour glisser vers l'avant. Une partie de cette énergie est fournie par le mouvement relatif de l'échantillon contre la pointe, mais les vibrations aléatoires des atomes impliqués, résultant de l'énergie thermique, peut accélérer ou ralentir la transition glissante.

« Reconnaissant que, " Martini dit, « nous donne la possibilité d'utiliser une suite d'outils de simulation pour ce que l'on appelle des « systèmes d'événements peu fréquents ». Ce sont des outils pour faire en sorte que ces événements rares se produisent plus rapidement tout en préservant la physique sous-jacente. »

En utilisant une technique connue sous le nom de "dynamique de répliques parallèles, " Le groupe de Martini a utilisé le fait que la probabilité qu'un de ces événements peu fréquents se produise est la même, qu'une simulation ait été exécutée pendant mille femtosecondes ou que mille simulations aient été exécutées pendant une femtoseconde chacune. Exécuter des simulations identiques sur autant de processeurs que possible, les chercheurs les arrêteraient tous dès qu'un conseil virtuel glissait, puis synchronisez les simulations à ce stade et recommencez toutes.

"Cela nous permet d'augmenter efficacement la durée de la simulation en la parallélisant dans le temps, " a déclaré Martini. " Vous augmentez le temps de simulation et donc diminuez la vitesse de pointe du modèle d'un facteur du nombre de processeurs dont vous disposez. "

En faisant correspondre les vitesses de pointe dans les expériences physiques et virtuelles, les chercheurs ont pu démontrer une différence jusqu'alors théorique entre le frottement à l'échelle macroscopique et le frottement atomique. La vitesse ne prend généralement pas en compte la quantité de friction rencontrée par les objets à grande échelle, mais à l'échelle atomique, la vibration des atomes individuels due à l'énergie thermique pourrait jouer un rôle. Les chercheurs ont montré que ces vibrations contrecarrent la friction en aidant la pointe à glisser vers l'avant, mais seulement jusqu'à un certain point. A des vitesses assez rapides, la pointe n'est pas collée assez longtemps pour recevoir un "boost" de l'énergie thermique.

"Il est important d'étudier et de comprendre l'effet du frottement aux vitesses de notre expérience, " Liu a dit, " car ils sont beaucoup plus proches de ce que nos applications d'ingénierie actuelles et futures, tels que les dispositifs micro- et nanomécaniques, expérimentera que ce que nous pouvons normalement faire avec un microscope à force atomique."

"Cette étude, " Carpick a dit, « ouvre désormais de nombreuses possibilités pour utiliser toutes les informations atomiques disponibles dans les simulations atomistiques pour interpréter de manière fiable les résultats des études expérimentales. Nous sommes optimistes que cela conduira éventuellement à des informations générales et pratiques à comprendre, contrôler et réduire la friction et l'usure."