Un système microscopique modèle pour démontrer la transmission du couple en présence de fluctuations thermiques - nécessaire à la création d'un minuscule « embrayage » fonctionnant à l'échelle nanométrique - a été assemblé à l'Université de Bristol dans le cadre d'une collaboration internationale.

Lorsque vous conduisez une voiture, l'embrayage porte mécaniquement le couple produit par le moteur au châssis du véhicule - un accouplement qui a longtemps été testé et optimisé dans de telles machines macroscopiques, nous donnant des moteurs très efficaces. Pour les machines microscopiques, cependant, développer un embrayage qui fonctionnerait à l'échelle nanométrique est beaucoup plus difficile car, à des échelles de longueur microscopiques, différentes physiques doivent être prises en compte. Les fluctuations thermiques jouent un rôle de plus en plus prépondérant à mesure qu'un appareil est miniaturisé, conduisant à une dissipation d'énergie accrue et à la nécessité de développer de nouveaux principes de conception.

Dans le système microscopique modèle développé par des scientifiques de Bristol, Düsseldorf, Mayence, Princeton et Santa Barbara, un anneau de particules colloïdales est localisé dans des pincettes optiques et traduit automatiquement sur un trajet circulaire, transférer un mouvement de rotation à un assemblage de colloïdes identiques confinés dans la région intérieure.

Le Dr Paddy Royall de l'Université de Bristol a déclaré :« Cet appareil ressemble beaucoup à une machine à laver, mais les dimensions sont minuscules. Grâce à la manipulation optique, l'anneau de particules peut être pressé à volonté, modifiant le couplage entre les parties entraînées et chargées de l'ensemble et fournissant un mode de fonctionnement semblable à un embrayage.

Les suspensions colloïdales entrent dans la catégorie des matériaux dits « matière molle », et la mollesse du dispositif de rotation conduit à de nouveaux phénomènes de transmission non observés dans les machines macroscopiques. « Exploiter la douceur des nanomatériaux nous donne des mécanismes de contrôle supplémentaires et inédits qui peuvent être utilisés lors de la conception de machines microscopiques, " expliqua le Dr Royall.

En plus des expériences réalisées à l'Université de Bristol, des physiciens de l'Université de Düsseldorf ont développé des simulations informatiques modèles pour approfondir l'étude du couplage de couple à l'échelle nanométrique. Cela permet de mesurer l'efficacité des nanomachines, qui est petit mais peut être optimisé grâce à un contrôle minutieux des paramètres du système.

Les chercheurs ont identifié trois régimes de transmission différents :un scénario de type solide qui transmet le couple un peu comme un engrenage macroscopique; un scénario de type liquide dans lequel une grande partie de l'apport d'énergie est perdue à cause du frottement et un scénario de glissement intermédiaire unique aux matériaux mous qui combine les aspects des comportements de type solide et liquide.

"Une compréhension de base du processus de couplage nous donnera un aperçu de la construction de nanomachines, dans lequel le transfert de couple est absolument essentiel, " a déclaré le professeur Hartmut Loewen de l'Université de Düsseldorf.

L'étude est publiée dans Physique de la nature .