La friction est difficile à prévoir et à contrôler, d’autant as well as que les surfaces en contact sont rarement parfaitement planes. De nouvelles expériences démontrent que le degré de friction entre deux surfaces de silicium, même à grande échelle, est déterminé par la formation et la rupture de liaisons chimiques microscopiques entre elles. Cela permet de contrôler l’ampleur du frottement à l’aide de procedures de chimie de surface. Les nouveaux résultats sont publiés dans Actual physical Overview Letters.
« Il y a un manque de compréhension quantitative du frottement, malgré son rôle vital pour relever des défis aussi divers que la prévision des tremblements de terre et la réduction de la consommation d’énergie des dispositifs mécaniques », explique le chercheur Liang Peng, qui a dirigé le projet de recherche. Ce n’est pas une mince affaire : on estime que la friction est responsable de plus de 20 % de notre consommation énergétique mondiale. Le contrôle du frottement dans les machines est également vital pour réduire l’usure des matériaux et augmenter la précision du positionnement.
Peng a travaillé avec d’autres chercheurs de l’Institut de physique et de l’Institut Van ‘t Hoff des sciences moléculaires de l’Université d’Amsterdam ainsi qu’avec le Centre de recherche avancée en nanolithographie (ARCNL). La recherche fait partie d’une collaboration en cours visant à étudier comment la friction à grande échelle apparaît à un niveau microscopique.
Ces dernières années, de nouvelles méthodes de recherche ont permis aux chercheurs de mieux comprendre ce qui se passe exactement lorsque deux surfaces entrent en get in touch with et glissent l’une sur l’autre. Surtout, les surfaces ne sont jamais parfaitement lisses. À l’échelle du nanomètre, soit un milliardième de la taille d’un mètre, ils ressemblent à des paysages montagneux avec des sommets et des vallées prononcés. Des expériences et simulations numériques antérieures ont démontré qu’à cette petite échelle, le frottement est largement déterminé par la development et la rupture des liaisons entre les atomes de surface. Ceci dépend non seulement de la rugosité des surfaces de glissement, mais également de la présence d’atomes ou de molécules (comme l’eau) à l’interface.
« Nous avons décidé d’étendre et d’appliquer ces mécanismes de nanofriction à des échelles as well as grandes et industriellement pertinentes », explique Peng. À l’aide d’un instrument spécial appelé rhéomètre, les chercheurs ont étudié remark la quantité de friction entre une bille de silicium relativement rugueuse et une plaquette de silicium lisse dépend de la densité des liaisons chimiques microscopiques à l’interface. Le silicium, de symbole chimique Si, est un matériau particulièrement intéressant à étudier en raison de son utilisation répandue dans l’industrie des semi-conducteurs. Son abondance dans la croûte terrestre le rend également pertinent pour l’étude des tremblements de terre.
Après avoir nettoyé les surfaces des contaminants, les chercheurs ont découvert qu’il fallait beaucoup moins de force pour faire glisser la bille sur la plaquette – en d’autres termes, il y avait moins de friction – lorsque les surfaces étaient séchées moreover longtemps dans de l’azote pur. D’autres expériences ont montré ce qui se passe au niveau des atomes : un séchage moreover extensive réduit le nombre de groupes hydroxyle (OH) exposés à la floor du silicium. Lorsqu’ils sont mis en get in touch with avec une autre floor de silicium, la présence de ces groupes entraîne la development de liaisons silicium-oxygène-silicium (Si-O-Si) entre les deux surfaces.
La recherche démontre qu’il existe une relation frappante entre la power de frottement mesurée à grande échelle et la densité de groupes Si-OH microscopiques présents sur les deux surfaces de silicium avant le get hold of, qui contrôle le nombre de liaisons Si-O-Si établies lors du make contact with. La densité de ces liaisons chimiques est régulée en fixant la durée pendant laquelle les surfaces nettoyées sont séchées. Chose intéressante, cela signifie qu’il est attainable de prédire et de contrôler la force de frottement entre les surfaces de silicium.
« Notre résultat est tout à fait remarquable motor vehicle il démontre une compréhension quantitative du frottement macroscopique à partir des premiers principes. Nos résultats peuvent ainsi combler le manque de connaissances qui entrave le contrôle basé sur la compréhension du frottement », conclut Liang.
