Si vous avez déjà eu du mal à déplacer un meuble lourd, vous avez probablement remarqué que faire tourner le meuble tout en le poussant facilite les choses. Des chercheurs allemands et italiens ont maintenant étudié ce même phénomène à l'échelle microscopique et, ce faisant, ont identifié les conditions qui devraient permettre à des objets microscopiques de tourner sur une surface cristalline avec un minimum de couple. Cette découverte théorique, que l'équipe a étayée par des expériences sur de minuscules sphères magnétiques, pourrait contribuer au développement de micro et nano-machines pour des applications dans des domaines tels que la robotique et l'administration de médicaments.
Pour déplacer un objet - qu'il soit grand ou petit - il faut appliquer une force pour surmonter son frottement de translation statique avec la surface sous-jacente. C'est un principe de base de la mécanique, mais la relation entre le frottement de translation et de rotation est complexe, et elle le devient encore plus sur de petites échelles de longueur où les surfaces en contact peuvent impliquer aussi peu que quelques centaines d'atomes. Dans les dispositifs nanométriques, le frottement de translation est un problème particulier car leurs rapports surface/volume élevés signifient que leurs surfaces s'usent rapidement et peuvent même se coller spontanément lorsqu'elles entrent en contact.
Imiter la zone de contact entre deux surfaces atomiquement planes
Pour étudier la relation entre le frottement statique en translation et en rotation, les membres d'une équipe dirigée par Clément Bechinger des Université de Constance, Allemagne a commencé par créer des amas cristallins de sphères magnétiques de la taille d'un micron. Ils ont ensuite mis ces sphères en contact avec une surface structurée contenant des puits périodiquement espacés comme une boîte à œufs. Cette configuration imite le type de contact qui se produit entre deux surfaces atomiquement planes, explique Xin Cao, auteur principal d'un article sur la recherche publié dans Examen physique X.
Les chercheurs ont ensuite fait tourner les amas à l'aide d'un champ magnétique rotatif, en gardant environ 10 à 1000 particules sphériques de chaque amas en contact avec la surface. Le couple minimum requis pour faire tourner le cluster correspond au frottement de rotation statique, qui, selon les chercheurs, est similaire au frottement de translation statique qui caractérise la force minimale requise pour pousser le cluster.
La friction fait le gros du travail dans les cordes et les fils
Une fois que la rotation dépasse un certain seuil, les chercheurs ont constaté que le frottement statique diminue considérablement, produisant un état de frottement statique ultra-faible pour les très grands clusters. "Un tel état de faible frottement permet de mettre en rotation des objets microscopiques en appliquant une quantité minimale de couple et peut être très pertinent pour la fabrication et le fonctionnement de petits dispositifs mécaniques - de l'atomique à la micro-échelle - nous rapprochant de réalisant des machines plus petites et plus efficaces », déclare Bechinger.
Une superposition de translation et de rotation
"Dans toutes circonstances réalistes, le mouvement des objets est une superposition de translation et de rotation", a-t-il déclaré. Monde de la physique. "Pour de nombreuses applications, il est important de connaître la résistance de frottement qui accompagne un tel mouvement car le frottement consomme de l'énergie et peut même entraîner la défaillance des appareils. Contrairement au frottement translationnel, on sait peu de choses sur le frottement rotationnel, mais nous avons maintenant abordé ce dernier dans notre étude.
Jusqu'à présent, les chercheurs se sont concentrés sur des surfaces parfaitement périodiques. "Dans nos travaux futurs, nous introduirons des défauts, qui sont également présents dans de nombreuses circonstances", déclare Bechinger.
