La température affecte considérablement les propriétés de frottement : à mesure qu'elle augmente, le coefficient de frottement diminue et la régularité de frottement augmente progressivement. De plus, l'usure augmente considérablement en raison de la chaleur de frottement accumulée, ce qui endommage encore davantage les appareils. Pour améliorer la durée de vie des appareils, des scientifiques de l'Université de Leicester étudient la superlubricité au service de l'efficacité énergétique. Ils ont découvert qu'abaisser la température de surface réduit le frottement en s'attaquant aux effets des vibrations aléatoires sur les atomes de surface.
Une équipe de scientifiques de l'Université de Leicester étudie activement des moyens de rendre les surfaces encore plus glissantes. Il s'agit d'une avancée majeure dans la compréhension de la superlubrification, phénomène où deux surfaces présentent un frottement minimal, voire quasi inexistant, lorsqu'elles glissent l'une contre l'autre. La superlubrification est liée à des surfaces extrêmement lisses à l'échelle moléculaire, comme le graphène. Jusqu'à présent, ce phénomène n'avait été observé qu'en laboratoire, où ces surfaces sont créées à des échelles infimes.
Le professeur Nikolai Brilliantov de l'université de Leicester et une équipe internationale de scientifiques ont découvert que les vibrations aléatoires des atomes de surface créent des fluctuations synchrones à la surface des objets, induisant ainsi du frottement. Ces vibrations persistent à toutes les températures supérieures au zéro absolu et leur intensité diminue avec la température. Cela signifie que la réduction de la température de surface peut atténuer efficacement l'impact du frottement.
Le professeur Brilliantov de l'École d'informatique et de sciences mathématiques de Leicester a déclaré : « Une telle différence avec le frottement classique est intrigante et mérite d'être expliquée. La superlubrification présente d'autres caractéristiques surprenantes, comme la dépendance inhabituelle de la force de frottement à la vitesse de glissement, à la température et à la surface de contact. Toutes ces dépendances sont inverses à celles prédites par les lois d'Amontons-Coulomb classiques. Comprendre le comportement énigmatique de la superlubrification permettra de maîtriser les frottements ultra-faibles, ouvrant ainsi la voie à des applications industrielles aux possibilités extraordinaires. »
Des avancées dans la friction
La superlubricité est un phénomène remarquable, très différent du frottement traditionnel. Dans cet état, le frottement peut être plus faible et n'est pas influencé par le poids de l'objet. Cela signifie qu'augmenter le poids d'un objet de quelques grammes à quelques dizaines de kilogrammes ne modifiera pas la force de frottement.
Les applications potentielles de cette technologie pour la réduction du frottement dans les machines et les mécanismes sont très prometteuses. Elle permet de réduire le frottement de 1 000 à 10 000 fois par rapport aux méthodes conventionnelles. Il est bien connu que les objets plus lourds opposent une plus grande résistance au glissement que les objets plus légers ; ce principe est appelé loi de frottement d’Amontons-Coulomb , établie il y a plus de 300 ans.
Dispositif expérimental et mesures
Afin d'explorer les principes de la superlubricité, des chercheurs ont établi un contact entre deux surfaces moléculairement lisses. À l'aide de la microscopie à force latérale, ils ont mesuré la force de frottement en faisant glisser une pointe sur un substrat. Les deux surfaces étaient recouvertes d' une couche de graphène . Ils ont également mené des simulations numériques approfondies de dynamique moléculaire pour élaborer un modèle réaliste du phénomène. Il est essentiel que les surfaces restent incommensurables. Ceci garantit que les aspérités de l'une ne coïncident pas avec les creux de l'autre.
Lorsque les surfaces ont une température non nulle, le frottement se produit en raison des ondulations superficielles provoquées par les fluctuations thermiques. Les scientifiques ont démontré que le frottement est causé par la flexion synchronisée de deux surfaces en contact étroit, créant des fluctuations thermiques. La température des surfaces affecte directement l'amplitude de ces fluctuations synchrones, des températures plus élevées entraînant des amplitudes plus importantes. La taille de la zone de contact affecte les fluctuations superficielles et freine le mouvement.
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Possibilités futures
Après avoir compris le rôle de la superlubricité dans l'efficacité énergétique, le professeur Brilliantov a ajouté : « Nous avons pu expliquer le mécanisme atomique de l'énigmatique indépendance de la force de frottement sur le poids d'un corps et formuler de nouvelles lois de frottement pour la superlubricité. Ces lois, bien que radicalement opposées aux lois d'Amontons-Coulomb, décrivent plutôt bien ce phénomène. Une fois que des couches moléculaires à surface lisse seront produites à l'échelle millimétrique ou centimétrique, tous les contacts mobiles, rotatifs et oscillants des machines et mécanismes seront recouverts de ces couches. Cela réduira considérablement la consommation d'énergie mondiale. Pour réduire encore davantage cette consommation, les plus gros contacts pourraient être maintenus à basse température. »
