La friction est tout autour de nous, travailler contre le mouvement des pneus sur la chaussée, le griffonnage d'un stylo sur du papier, et même le flux de protéines dans la circulation sanguine. Chaque fois que deux surfaces entrent en contact, il y a des frictions, sauf dans des cas très particuliers où le frottement disparaît essentiellement - un phénomène, connu sous le nom de "superlubrification, " dans lequel les surfaces glissent simplement les unes sur les autres sans résistance.

Aujourd'hui, les physiciens du MIT ont développé une technique expérimentale pour simuler le frottement à l'échelle nanométrique. En utilisant leur technique, les chercheurs sont capables d'observer directement des atomes individuels à l'interface de deux surfaces et de manipuler leur disposition, réglage de la quantité de friction entre les surfaces. En modifiant l'espacement des atomes sur une surface, ils ont observé un point où le frottement disparaît.

Vladan Vulétique, le professeur Lester Wolfe de physique au MIT, dit que la capacité d'ajuster la friction serait utile dans le développement de nanomachines - de minuscules robots construits à partir de composants de la taille de molécules uniques. Vuletic dit qu'à l'échelle nanométrique, le frottement peut exiger une plus grande force - par exemple, créant une usure sur de petits moteurs beaucoup plus rapidement qu'à plus grande échelle.

"Il y a un gros effort pour comprendre la friction et la contrôler, car c'est l'un des facteurs limitants des nanomachines, mais il y a eu relativement peu de progrès dans le contrôle de la friction à n'importe quelle échelle, " dit Vuletic. " Ce qui est nouveau dans notre système, c'est pour la première fois à l'échelle atomique, nous pouvons voir cette transition de la friction à la superlubrification."

Vulétique, avec les étudiants diplômés Alexei Bylinskii et Dorian Gangloff, publient aujourd'hui leurs résultats dans la revue Science .

Champs de friction et de force

L'équipe a simulé le frottement à l'échelle nanométrique en créant d'abord deux surfaces à mettre en contact :un réseau optique, et un cristal ionique.

Le réseau optique a été généré à l'aide de deux faisceaux laser se déplaçant dans des directions opposées, dont les champs s'additionnent pour former un motif périodique sinusoïdal dans une dimension. Ce soi-disant treillis optique est similaire à une boîte à œufs, où chaque pic représente un potentiel électrique maximum, tandis que chaque creux représente un minimum. Lorsque les atomes traversent un tel champ électrique, ils sont attirés par des endroits de potentiel minimum - dans ce cas, les creux.

Vuletic a ensuite conçu une deuxième surface:un cristal ionique - essentiellement, une grille d'atomes chargés - afin d'étudier les effets du frottement, atome par atome. Pour générer le cristal ionique, le groupe a utilisé la lumière pour ioniser, ou facturer, atomes d'ytterbium neutre sortant d'un petit four chauffé, puis les a refroidis avec plus de lumière laser juste au-dessus du zéro absolu. Les atomes chargés peuvent ensuite être piégés à l'aide de tensions appliquées aux surfaces métalliques voisines. Une fois chargé positivement, chaque atome se repousse via ce qu'on appelle la "force de Coulomb". La répulsion maintient efficacement les atomes séparés, de sorte qu'ils forment une surface cristalline ou en forme de réseau.

L'équipe a ensuite utilisé les mêmes forces que celles utilisées pour piéger les atomes pour pousser et tirer le cristal ionique à travers le réseau, ainsi que pour étirer et presser le cristal ionique, un peu comme un accordéon, modifier l'espacement entre ses atomes.

Un tremblement de terre et une chenille

En général, les chercheurs ont découvert que lorsque les atomes du cristal ionique étaient régulièrement espacés, à des intervalles qui correspondent à l'espacement du réseau optique, les deux surfaces ont subi un frottement maximum, un peu comme deux briques Lego complémentaires. L'équipe a observé que lorsque les atomes sont espacés de sorte que chacun occupe un creux dans le réseau optique, lorsque le cristal ionique dans son ensemble est traîné à travers le réseau optique, les atomes ont d'abord tendance à se coller dans les creux du réseau, lié par leur préférence pour le potentiel électrique inférieur, ainsi que par les forces de Coulomb qui séparent les atomes. Si une force suffisante est appliquée, le cristal ionique glisse soudainement, alors que les atomes sautent collectivement vers le prochain creux.

"C'est comme un tremblement de terre, " dit Vuletic. " Il y a de la force qui s'accumule, et puis il y a soudainement une libération catastrophique d'énergie."

Le groupe a continué à étirer et à presser le cristal ionique pour manipuler l'arrangement des atomes, et découvert que si l'espacement des atomes ne correspond pas à celui du réseau optique, le frottement entre les deux surfaces disparaît. Dans ce cas, le cristal a tendance à ne pas coller puis à glisser brusquement, mais pour se déplacer de manière fluide à travers le réseau optique, un peu comme une chenille rampant sur le sol.

Par exemple, dans des arrangements où certains atomes sont dans des creux tandis que d'autres sont à des sommets, et d'autres encore sont quelque part entre les deux, lorsque le cristal ionique est tiré à travers le réseau optique, un atome peut glisser un peu vers le bas d'un pic, relâcher un peu de stress, et permettant à un deuxième atome de sortir plus facilement d'un creux, ce qui entraîne à son tour un troisième atome, etc.

"Ce que nous pouvons faire, c'est ajuster à volonté la distance entre les atomes pour qu'elle soit adaptée au réseau optique pour un frottement maximum, ou dépareillé pour aucune friction, " dit Vuletic.

Gangloff ajoute que la technique du groupe peut être utile non seulement pour réaliser des nanomachines, mais aussi pour contrôler les protéines, molécules, et d'autres composants biologiques.

« Dans le domaine biologique, il y a diverses molécules et atomes en contact les uns avec les autres, glissant comme des moteurs biomoléculaires, à la suite d'un frottement ou d'un manque de frottement, ", dit Gangloff. "Donc, cette intuition sur la façon d'organiser les atomes de manière à minimiser ou à maximiser le frottement pourrait être appliquée."