Les métasurfaces simples offrent un contrôle sur la friction aux interfaces matérielles – Physics World

Une nouvelle technique permettant d'affiner les forces de friction aux interfaces entre différents matériaux a été développée par des chercheurs en France. Julien Scheibert et des collègues de l'Université de Lyon ont utilisé des métasurfaces simples et facilement ajustables pour créer des coefficients de frottement spécifiques à l'interface entre les échantillons de verre et d'élastomère.

Des écrans tactiles aux mains robotiques, les contacts par friction sont un élément clé de nombreux appareils modernes. Pour optimiser leurs performances, les concepteurs doivent établir un contrôle strict des forces de friction aux interfaces des matériaux. Cependant, malgré des siècles d’investigations minutieuses, nous ne disposons toujours pas d’une méthode fiable pour prédire le coefficient de frottement sur une interface donnée.

La principale difficulté dans la compréhension du frottement réside dans la grande diversité des textures trouvées sur les surfaces. La taille des caractéristiques de surface peut s’étendre sur plusieurs ordres de grandeur : de l’échelle atomique à l’échelle millimétrique. Étant donné que toutes ces caractéristiques peuvent influencer le frottement entre deux surfaces, il est souvent extrêmement difficile de calculer les coefficients de frottement à partir des premiers principes.

Actuellement, il existe deux techniques principales pour optimiser le frottement entre surfaces. Une méthode consiste simplement à sélectionner une paire de matériaux qui subissent le degré de friction correct. Cependant, il arrive souvent que ces matériaux ne possèdent pas les autres propriétés – thermiques, électriques, etc. – requises pour une application spécifique.

Mauvaise compréhension

"La deuxième technique consiste à créer des microtextures artificielles sur les surfaces", explique Scheibert. "Mais comme la relation entre texture et friction reste mal comprise, les textures appropriées ne sont généralement identifiées qu'après des campagnes expérimentales longues et coûteuses."

Dans leur étude, l’équipe de Scheibert a amélioré l’approche microtexturale en utilisant des métasurfaces très simples comprenant des réseaux carrés de calottes sphériques. Chaque capuchon peut avoir une hauteur spécifique par rapport aux autres capuchons (voir figure).

"Dans ces conditions, la réponse [de friction] de l'interface peut être modélisée avec précision et la liste des hauteurs offrant le comportement de friction ciblé peut être déterminée avant de fabriquer réellement les surfaces", explique Scheibert. De cette façon, l’équipe a pu concevoir différentes textures pour atteindre le niveau souhaité de friction interfaciale dès le premier essai.

Les chercheurs ont testé leur approche en préparant des métasurfaces sur des échantillons centimétriques d’un élastomère de type caoutchouc. Chaque surface comportait un réseau de 64 calottes sphériques en élastomère. La hauteur à laquelle chaque capuchon dépasse de la surface est définie individuellement, permettant à l'équipe de créer une gamme de métasurfaces différentes.

La friction est mesurée en plaçant un morceau de verre plat sur la métasurface et en poussant vers le bas tout en faisant glisser le verre le long de la métasurface. En ajustant systématiquement la structure des métasurfaces, des coefficients de frottement spécifiques pourraient être créés à l’interface.

Deux coefficients de frottement différents

L’approche a fonctionné sans nécessiter de calculs de principes fondamentaux des forces de friction et sans modifier les propriétés des matériaux eux-mêmes. "De plus, nous avons préparé des contacts présentant deux coefficients de frottement différents, qui dépendent du niveau de compression appliqué à l'interface - un comportement très rare par nature", ajoute Scheibert.

La friction fait le gros du travail dans les cordes et les fils

Grâce à cette approche rapide et abordable, l’équipe de Scheibert a pu reproduire diverses lois de frottement connues dans leurs expériences : y compris les lois linéaires, où le coefficient de frottement reste constant à mesure que les forces de cisaillement augmentent à travers l’interface ; et des lois non linéaires plus complexes, où ce coefficient varie en fonction de la force de cisaillement.

À mesure qu’ils améliorent leur technique, les chercheurs envisagent un large éventail d’applications pour leur approche de métasurface ajustable. "Créer des interfaces de contact correspondant à un comportement de friction spécifié est le Saint Graal en tribologie", explique Scheibert.

« Notre stratégie de conception fournit de nouveaux outils pour préparer de telles interfaces frictionnelles. Cela pourrait potentiellement ouvrir des opportunités dans divers domaines difficiles, du sport à la robotique douce. Si elles sont équipées de capteurs et d'actionneurs, nos métainterfaces tiennent même la promesse d'interfaces de contact intelligentes avec réglage de friction en temps réel.

La recherche est décrite dans Sciences.

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• La source: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/