La friction est une partie importante de nos vies, pour le meilleur ou pour le pire. La friction aide à faire fonctionner les embrayages et les freins de nos voitures, à titre d'exemple. Pourtant, il peut être difficile pour les scientifiques de décrire avec précision son fonctionnement à différentes échelles. Crédit :Colourbox
Si vous prenez même la peine de penser à la friction, vous pourriez penser à vous frotter les mains pour les réchauffer.
Mais la friction est un gros problème dans le monde. Les pièces qui frottent les unes contre les autres s'usent. Les machines peuvent consommer plus d'énergie qu'elles ne le devraient. Ce n'est pas anodin non plus :environ 23 % de la consommation mondiale d'énergie est due aux frictions.
Les chercheurs sont à la recherche de moyens de comprendre comment fonctionne réellement la friction, au niveau nanométrique, afin qu'ils puissent concevoir des lubrifiants et d'autres moyens de le réduire.
Le problème est, Le frottement est extrêmement difficile à décrire à l'aide d'un modèle. L'un des modèles mathématiques les plus largement utilisés pour le frottement à l'échelle nanométrique a été proposé pour la première fois en 1929, et il continue d'être utilisé parce qu'il est assez général. Mais lorsque ce modèle est utilisé pour examiner des situations plus détaillées, ça marche pas si bien que ça.
Maintenant, deux chercheurs de l'Université norvégienne des sciences et de la technologie (NTNU) ont proposé un ajustement à ce modèle qui améliore sa capacité à décrire les tendances du fonctionnement de la friction pour les matériaux en couches comme le graphène à l'échelle nanométrique. Leurs résultats ont été publiés dans Communication Nature .
Une surface bosselée d'atomes
Avant de pouvoir comprendre ce que les chercheurs ont fait, vous devez d'abord comprendre comment les chercheurs visualisent la friction.
La friction est une bonne chose lorsqu'il s'agit d'arrêter votre voiture. Mais des frictions indésirables peuvent entraîner une usure prématurée des pièces et sont coûteuses pour la société. Crédit :Colourbox
Une surface peut sembler lisse, mais sous un microscope puissant, la surface a clairement des bosses. Ainsi, lorsque les chercheurs veulent utiliser un modèle mathématique pour expliquer le frottement, ils incluent cette surface bosselée dans leurs calculs.
"Quand on dit friction, les gens peuvent penser à essayer de pousser une boîte sur une surface, " a déclaré David Andersson, un doctorat au Département de génie mécanique et industriel de NTNU qui était le premier auteur de l'article. "Mais si vous voulez comprendre d'où vient la friction, c'est vraiment du contact entre les atomes."
Le frottement est alors décrit comme la force nécessaire pour tirer une pointe sur cette surface atomique bosselée. C'est essentiellement ainsi que le modèle de Prandtl-Tomlinson pour le frottement, publié pour la première fois en 1929, le décrit. Et l'une des principales caractéristiques décrites par le modèle est quelque chose qui se produit lorsque cette pointe est tirée sur la surface cahoteuse :elle peut coller puis glisser soudainement.
En réalité, ce type de comportement de collage et de glissement entre deux surfaces est même visible à l'échelle macro-c'est ce qui se passe à l'échelle géologique lorsque deux plaques tectoniques se déplacent l'une l'autre. Les gens dans les zones sismiquement actives ressentent le glissement des plaques comme un tremblement de terre.
Le puzzle des matériaux en deux dimensions
Le graphène comme additif aux lubrifiants est utilisé depuis près de deux siècles, mais ce n'est qu'il y a une dizaine d'années que les chercheurs ont commencé à l'étudier en détail ainsi que d'autres matériaux bidimensionnels similaires. Le graphène est une couche de carbone qui n'a qu'un atome d'épaisseur. Cela peut être assez glissant.
Lorsque les chercheurs ont commencé à expérimenter avec des couches de graphène et comment cela affectait la friction entre les surfaces, ils ont découvert quelque chose d'étrange, Andersson et sa co-auteur et superviseur Astrid de Wijn ont déclaré.
Voici comment les chercheurs de NTNU ont décrit la friction au niveau nano. Crédit :Andersson, RÉ., de Wijn, COMME. Comprendre le frottement des matériaux en couches atomiquement minces. Nat Commun 11, 420 (2020)
Les chercheurs ont découvert que le frottement dépend du nombre de couches dans ce que les chercheurs ont trouvé de manière surprenante :il était le plus élevé pour les feuilles de graphène monocouche et diminuait avec l'augmentation du nombre de couches. Le modèle de Prandtl-Tomlinson n'avait pas prédit cela.
"Ce que les expérimentateurs ont fait, c'est de superposer des couches de graphène et d'autres matériaux 2D, et trouvé que le frottement diminue avec le nombre de couches. Tu ne t'attendrais pas à ça, " de Wijn, professeur agrégé à NTNU, mentionné. "C'était un comportement particulier."
D'autres travaux théoriques et expérimentaux sur les couches de graphène ont fourni des résultats contradictoires.
Bien que cela puisse être frustrant pour les universitaires, c'est plus qu'un simple casse-tête académique. Les scientifiques et les ingénieurs qui veulent comprendre comment concevoir des matériaux ou des lubrifiants pour réduire l'usure et la friction ont besoin de modèles pour les aider à jeter les bases de leurs efforts.
L'ajout de complexité a amélioré le modèle
Andersson et de Wijn ont décidé d'examiner un certain nombre d'articles de recherche expérimentale différents qui décrivaient des résultats contradictoires pour voir s'ils pouvaient créer un modèle mathématique qui aiderait à expliquer ce qui se passait.
Ils ont réalisé qu'ils pouvaient expliquer des résultats contradictoires en ajoutant une variable supplémentaire au modèle de friction Prandtl-Tomlinson, vieux d'un siècle. Alors que l'ancien modèle examinait simplement la force nécessaire pour déplacer un point sur une surface, lorsque les chercheurs ont ajouté une variable qui a permis aux matériaux en couches de se déformer, il était bien meilleur pour prédire la friction à l'échelle nanométrique que l'ancien modèle.
"Au final, il y a eu une douzaine d'articles expérimentaux que nous avons réussi à expliquer d'un coup, en ajoutant le composant qui permet aux matériaux stratifiés de se déformer, " a déclaré Andersson. " Nous avons trouvé le bon moyen d'étendre le modèle pour résoudre ce casse-tête. "
Le graphène et d'autres matériaux 2-D sont extrêmement utiles, mais peut être difficile pour les chercheurs à décrire à l'aide de modèles mathématiques. Crédit :Colourbox
Applications pratiques du graphène
Les chercheurs espèrent que leur modèle pourra aider d'autres chercheurs, surtout quand il s'agit de graphène.
"Il y a beaucoup de mystères sur le graphène et son fonctionnement, " a déclaré de Wijn. Mais le modèle révisé permet aux chercheurs de mieux comprendre le frottement dans de fines feuilles de graphène et d'autres matériaux similaires, elle a dit.
Par exemple, elle a dit, le modèle est une première étape pour aider les ingénieurs à comprendre les distorsions extrêmes et les déchirures de feuilles minces qui ne sont que des atomes d'épaisseur lorsque ces couches subissent une charge élevée.
« En conditions réelles, de telles distorsions extrêmes sont courantes et conduisent à la rupture des liaisons chimiques, déchirure, porter, et la perte des conditions de faible frottement, " de Wijn et Andersson ont écrit dans leur article. " Il s'agit d'un premier pas et soulève la possibilité d'une meilleure compréhension de l'usure et plus rapidement, basé sur la compréhension, développement d'applications pratiques du graphène dans les technologies à faible friction."
