Lorsque vous déplacez des meubles, les objets lourds sont plus faciles à déplacer si vous les faites pivoter tout en les poussant. Beaucoup de gens le font intuitivement. Une équipe de recherche internationale de Constance (Allemagne), Trieste et Milan (Italie) a maintenant étudié à l'échelle microscopique la réduction du frottement statique causée par la rotation simultanée.

Dans leur étude récente, à paraître dans Physical Review X le 15 juin, les chercheurs ont découvert que la réduction du frottement statique d'un objet microscopique sur une surface cristalline peut être décrite par des motifs moirés, qui se produisent lorsque des motifs périodiques se superposent. Sur la base de ce concept, les chercheurs prédisent un état inhabituel, dans lequel des objets microscopiques peuvent être mis en rotation en appliquant une quantité minimale de couple. À l'avenir, cela pourrait permettre la construction de micro-machines à frottement statique ultra-faible contre la rotation.

Mettre des objets en mouvement

Pour mettre un objet en mouvement, il faut le pousser pour surmonter son frottement statique avec la surface sous-jacente. Cela est vrai même si les surfaces en contact sont très lisses. L'expérience quotidienne nous enseigne que le frottement statique est beaucoup plus faible lorsque l'objet est non seulement poussé, mais simultanément tourné. Même si des chercheurs renommés, tels que Léonard de Vinci, ont déjà étudié les phénomènes de frottement il y a plus de 500 ans, la relation entre les forces de frottement statiques et les couples n'est toujours pas entièrement comprise. Ceci est tout à fait remarquable, étant donné que le frottement de rotation provient de la même interaction entre un objet et la surface sous-jacente que le frottement de translation bien exploré.

La relation complexe entre le frottement statique de translation et de rotation devient encore plus intrigante à l'échelle microscopique, où les contacts plats n'impliquent que quelques centaines à quelques milliers d'atomes. "Par exemple, de tels micro-contacts se produisent dans de minuscules dispositifs mécaniques - connus sous le nom de systèmes micro-électromécaniques (MEMS) - dont le comportement est dominé par les effets de frottement", explique le professeur Clemens Bechinger, chef de l'équipe de recherche et professeur de physique expérimentale à Université de Constance, fournissant un exemple où les effets de frottement jouent un rôle important à l'échelle microscopique. Le frottement de rotation et son interaction avec le frottement de translation pour des contacts aussi petits sont restés plutôt inexplorés, car il est techniquement très difficile d'appliquer des couples bien contrôlés à des objets en rotation à l'échelle microscopique.

Les motifs moirés sont la clé

Dans leur étude récente, combinant des approches expérimentales et théoriques, les chercheurs de Constance, Trieste et Milan ont surmonté ce défi et ont étudié le frottement rotationnel et son interaction avec le frottement translationnel pour les contacts microscopiques. "Pour nos expériences, nous avons créé des amas cristallins constitués de sphères magnétiques de la taille d'un micron et les avons mis en contact avec une surface structurée avec des puits qui se répètent régulièrement", a déclaré le Dr Xin Cao, l'un des principaux auteurs de l'étude et Humboldt Fellow dans le travail. groupe de Clemens Bechinger, décrit le point de départ des expériences. Il poursuit :"Ce paramètre imite la zone de contact entre deux surfaces atomiquement planes."

Les amas bidimensionnels - avec des contacts à la surface constitués de 10 à 1000 particules sphériques - ont ensuite été mis en mouvement de rotation à l'aide d'un champ magnétique rotatif hautement contrôlable. Le couple minimum requis pour faire tourner le cluster respectif correspond au frottement de rotation statique, similaire au frottement de translation statique, qui caractérise la force minimale requise pour obtenir un mouvement de translation du cluster.

Dans leur étude, les chercheurs ont découvert que l'interaction du frottement rotationnel et translationnel peut être comprise à travers les propriétés de ce que l'on appelle les motifs de moiré. Ces modèles apparaissent lorsque deux ou plusieurs structures périodiques se superposent. « Des motifs de moiré optiques peuvent être observés, par exemple, lorsqu'un rideau à mailles fines se froisse et que des couches individuelles du rideau se chevauchent », explique le Dr Andrea Silva, deuxième auteur principal de l'étude et physicien à l'École internationale d'études avancées (SISSA). ) à Trieste. "Les motifs résultants sont extrêmement sensibles aux mouvements relatifs infimes et présentent des structures géométriques de niveau supérieur qui ne sont pas présentes dans les structures qui se chevauchent elles-mêmes."

L'avantage de la rotation simultanée

Revenant aux expériences, Andrea Silva décrit :"Le contact entre l'amas de particules et la surface sous-jacente dans les zones où les périodicités de la structure des deux objets correspondent peut être comparé aux œufs dans une boîte à œufs." Sans appliquer de forces ou de couples externes, cette zone de chevauchement structurel est au maximum, ce qui signifie qu'un grand nombre de particules de l'amas sont proches du fond des puits de la surface à motifs, ce qui entraîne un frottement statique élevé.

Lorsqu'une force est appliquée au cluster pour le pousser dans une direction particulière, la zone de chevauchement structurel se déplace vers le bord de la zone de contact. En conséquence, il devient plus petit. Cependant, un grand nombre de particules restent "coincées" dans les puits du substrat, de sorte qu'une force relativement importante est nécessaire pour vaincre la résistance de l'amas au mouvement et pour le décoller du substrat. Si, au contraire, le cluster est tordu avec un couple, la zone de recouvrement se rétrécit symétriquement. "Cela facilite grandement la poussée et la mise en mouvement du cluster, car la zone de chevauchement structurel a déjà été considérablement réduite par le couple appliqué", explique Xin Cao, expliquant comment la poussée et la rotation simultanées réduisent la friction statique.

Sur la base des propriétés des motifs de moiré observés, les physiciens ont non seulement été en mesure d'expliquer pourquoi une rotation supplémentaire facilite la translation d'objets microscopiques, mais aussi de faire des prédictions sur la dépendance du frottement statique contre les rotations sur la taille de l'amas :lorsque cette dernière dépasse A partir d'un certain seuil, le frottement statique contre les rotations diminue fortement, d'où un état de frottement statique ultra-faible pour les très gros clusters. "Un tel état de faible frottement peut être très pertinent pour la fabrication et le fonctionnement de petits dispositifs mécaniques - de l'atomique à la micro-échelle - nous rapprochant de la réalisation de machines plus petites et plus efficaces", conclut Clemens Bechinger. + Explorer plus loin

Les limites du frottement