Parfois, le frottement est bon, comme le frottement entre une route et les pneus d’une voiture pour empêcher le véhicule de déraper. Mais parfois, la friction est mauvaise – si vous ne mettiez pas d’huile dans cette même voiture, il y aurait tellement de friction dans les roulements du moteur que la voiture ne pourrait pas fonctionner.
Un état matériel connu sous le nom de super-lubricité, où le frottement entre deux surfaces en contact disparaît presque, est un phénomène que les chercheurs en matériaux étudient depuis des années en raison du potentiel de réduction du coût énergétique et de l’usure des appareils, deux inconvénients majeurs du frottement. Cependant, il y a des moments où la friction est nécessaire dans le même appareil, et la possibilité d’activer et de désactiver la super-lubricité serait une aubaine pour de multiples applications d’ingénierie pratiques.
Seong Kim, professeur distingué de génie chimique et chef associé du département de génie chimique de Penn State, et Zhe Chen, chercheur au State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems et au Department of Mechanical Engineering de l’Université du Zhejiang, ont proposé en une étude en Matériaux appliqués aujourd’hui que ce commutateur de super-lubricité peut être trouvé dans l’humidité. Plus précisément, la vapeur d’eau et la vapeur de phénol, qui est une famille de composés organiques.
La super-lubricité est une caractéristique clé de certains matériaux bidimensionnels (2D), constitués d’une seule couche d’atomes, en particulier le graphène et le bisulfure de molybdène. Le graphène est souvent utilisé comme lubrifiant solide, sous la forme d’un revêtement sur divers matériaux tels que les métaux et les plastiques. Avec le graphène, les atomes sont orientés de manière hexagonale, ce qui forme ce paysage de montagnes et de vallées, un peu comme une caisse à œufs de supermarché.
« Lorsque vous allez au magasin pour acheter la caisse de 36 œufs, vous avez des pics et des vallées, une structure très ondulée », a déclaré Kim. « Si vous placez deux caisses à œufs l’une sur l’autre de manière à ce que les treillis se fassent face et correspondent, il est extrêmement difficile de glisser l’un sur l’autre car les sommets de l’un sont dans la vallée de l’autre. Mais si vous tournez un peu l’un donc les pics ne vont pas dans les vallées, ils peuvent glisser très facilement et donc le graphène peut avoir une super-lubricité. »
Réduire le frottement à près de zéro est une aubaine pour réduire l’usure des appareils mécaniques et pour économiser de l’énergie. Mais cela peut aussi être quelque chose d’indésirable.
« Parce que le frottement cause environ 25% à 30% de la perte d’énergie dans les camions et les automobiles, et peut user les pièces de la machine, l’éliminer peut être bon », a déclaré Kim. « Cependant, vous pouvez imaginer que si nous supprimons complètement la friction, nous n’avons aucune traction. Si nous n’avons aucune traction, cela rend un véhicule ou une autre machine extrêmement difficile à contrôler son mouvement. »
Cela rend la capacité d’activer et de désactiver la super-lubricité importante ; cependant, cela a longtemps été considéré comme quelque chose d’extrêmement difficile à faire, voire impossible. Récemment, cette super lubrification est devenue plus possible, avec des idées impliquant la force mécanique, l’exposition à la lumière, etc. comme moyens potentiels de l’éteindre et de l’allumer.
Cependant, Kim et son équipe ont trouvé des résultats prometteurs en modifiant l’environnement, à savoir en le rendant plus humide via l’eau et la vapeur de phénol.
Ils ont utilisé une sonde en oxyde de silicium sur un plan basal en graphite pour démontrer comment cela pourrait être possible. Le silicium est couramment utilisé dans les systèmes microélectromécaniques (MEMS) qui ont de minuscules pièces mobiles et sont utilisés dans des appareils tels que les accéléromètres trouvés dans les montres Apple et les téléphones portables pour mesurer la vitesse.
Les chercheurs ont découvert que la super lubrification à l’échelle nanométrique entre la pointe de silice et la surface du graphène peut être réglée par adsorption de différentes molécules de l’environnement. Ils ont découvert qu’un frottement extrêmement faible peut être augmenté de 25 fois par la vapeur d’eau et de 45 fois par la vapeur de phénol. Lorsque l’eau est adsorbée sur une surface de silice, elle forme une nanostructure similaire à la structure qu’elle possède à l’état solide, la glace.
« Lorsque nous augmentons l’humidité, de l’eau se trouve à la surface du dioxyde de silicium », a déclaré Kim. « Nous pouvons réorganiser la structure de manière à ce que le réseau de glace corresponde au réseau de graphite. Les ondulations atomiques se correspondent, puis le frottement augmente. Cette étude suggère que si nous pouvions produire un moyen de contrôler l’humidité de surface du matériau, cela permettrait à la silice de glisser sur la surface du graphite d’une manière plus technique. Une fois que nous aurons fait cela, nous pourrons activer et désactiver la super-lubricité.
Parmi les prochaines étapes de cette recherche, il y aurait l’amélioration du processus pour permettre des applications pratiques de cette technique. Kim note que même si une macro-application à grande échelle d’un commutateur de super-lubricité peut être assez éloignée, les applications MEMS dans des appareils tels que les téléphones portables et les Fitbits sont possibles dans un délai plus court.
« Parce qu’il s’agit de si petits appareils, la force d’actionnement est si petite, donc tout frottement peut tuer l’appareil et ainsi, pour éviter de tels problèmes de défaillance, de nombreux appareils MEMS ont des revêtements de carbone chloré, mais ce sont des revêtements organiques », a déclaré Kim. . « Et puis ces revêtements organiques ne peuvent pas durer longtemps au cours des cycles répétés parce qu’ils s’usent. Mais si nous pouvons mettre du graphène comme revêtement et ensuite nous pouvons contrôler le frottement, alors nous pouvons avoir un contrôle de mouvement très précis Et les ingénieurs peuvent alors revoir ces anciens dispositifs et technologies antérieurs qui ont été développés mais qui n’ont pas pu être utilisés en raison des problèmes de friction. Cela pourrait conduire à de meilleurs ou même à de nouveaux dispositifs.
Kim a également noté que ce document de recherche est une étude interprétative fondamentale, et il souligne que la découverte faite dans cette recherche témoigne de l’importance de la science fondamentale.
« Nous ne serions pas en mesure de faire ce genre de découverte si nous regardions simplement nos publications et ne faisions pas le travail de base », a déclaré Kim. « Certains peuvent penser que les percées viennent naturellement, mais il y a beaucoup d’efforts qui y sont consacrés. Nous ne pouvons pas oublier de faire la science fondamentale qui mène à ces collaborations de recherche et à ces découvertes. »
Plus d’information:
Zhe Chen et al, Tuning super-lubricité via l’adsorption moléculaire, Matériaux appliqués aujourd’hui (2022). DOI : 10.1016/j.apmt.2022.101615