Des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département de l'Énergie des États-Unis ont trouvé un moyen d'utiliser de minuscules diamants et du graphène pour donner au frottement le glissement, créant une nouvelle combinaison de matériaux qui démontre le phénomène rare de « superlubrification ».

Dirigé par le nanoscientifique Ani Sumant du Centre pour les matériaux à l'échelle nanométrique (CNM) d'Argonne et Ali Erdemir, membre distingué d'Argonne, de la division des systèmes énergétiques d'Argonne, l'équipe de cinq personnes d'Argonne a combiné des nanoparticules de diamant, de petites taches de graphène - une forme bidimensionnelle de feuille unique de carbone pur - et un matériau de carbone semblable au diamant pour créer une superlubrification, une propriété hautement souhaitable dans laquelle le frottement tombe à près de zéro.

Selon Erdemir, alors que les plaques de graphène et les particules de diamant se frottent contre une grande surface de carbone semblable à du diamant, le graphène s'enroule autour de la particule de diamant, créer quelque chose qui ressemble à un roulement à billes au niveau nanoscopique. "L'interaction entre le graphène et le carbone de type diamant est essentielle pour créer l'effet 'superlubrifiant', " dit-il. " Les deux matériaux dépendent l'un de l'autre. "

Au niveau atomique, la friction se produit lorsque les atomes dans les matériaux qui glissent les uns contre les autres deviennent "verrouillés dans l'état, " ce qui nécessite une énergie supplémentaire pour surmonter.  " Vous pouvez imaginer que c'est comme essayer de faire glisser deux boîtes d'œufs l'une contre l'autre de bas en bas, " a déclaré Diana Berman, chercheur postdoctoral au CNM et auteur de l'étude. "Il y a des moments où le positionnement des espaces entre les œufs - ou dans notre cas, les atomes - provoque un enchevêtrement entre les matériaux qui empêche un glissement facile."

En créant les roulements à billes diamantés encapsulés dans du graphène, ou "parchemins", l'équipe a trouvé un moyen de traduire la superlubrification à l'échelle nanométrique en un phénomène à l'échelle macroscopique. Parce que les rouleaux changent d'orientation pendant le processus de glissement, suffisamment de particules de diamant et de patchs de graphène empêchent les deux surfaces de se verrouiller. L'équipe a utilisé des calculs atomistiques à grande échelle sur le supercalculateur Mira de l'Argonne Leadership Computing Facility pour prouver que l'effet pouvait être observé non seulement à l'échelle nanométrique, mais également à l'échelle macroscopique.

"Un parchemin peut être manipulé et tourné beaucoup plus facilement qu'une simple feuille de graphène ou de graphite, " a déclaré Berman.

Cependant, l'équipe était perplexe quant au fait que même si la superlubrification était maintenue dans des conditions sèches, dans un environnement humide, ce n'était pas le cas. Parce que ce comportement était contre-intuitif, l'équipe s'est à nouveau tournée vers les calculs atomistiques. "Nous avons observé que la formation de volutes était inhibée en présence d'une couche d'eau, provoquant ainsi un frottement plus élevé, " a expliqué le co-auteur Argonne, le nanoscientifique computationnel Subramanian Sankaranarayanan.

Alors que le domaine de la tribologie s'est longtemps intéressé aux moyens de réduire la friction - et donc les demandes énergétiques des différents systèmes mécaniques - la superlubrification a été traitée comme une proposition difficile. "Tout le monde rêverait de pouvoir atteindre la superlubrification dans une large gamme de systèmes mécaniques, mais c'est un objectif très difficile à atteindre, " dit Sanket Deshmukh, un autre chercheur postdoctoral du CNM sur l'étude.

« Les connaissances acquises grâce à cette étude, " Sumant ajouta, "sera crucial pour trouver des moyens de réduire la friction dans tout, des moteurs ou des turbines aux disques durs informatiques et aux systèmes microélectromécaniques."