Une découverte impliquant une variance de frottement à différentes vitesses entre deux types de surfaces différents défie apparemment une loi expérimentale de la physique, selon une recherche récemment publiée.
Une équipe internationale de chercheurs de l’Université de Bâle et de l’Université de Tel Aviv rapporte que le frottement entre les structures de graphène contre les surfaces de platine semble varier avec la vitesse, une observation qui, selon eux, défie apparemment la loi de Coulomb.
Nommée d’après le physicien français Charles-Augustin de Coulomb, qui a publié pour la première fois en 1785 ses observations concernant la mesure des quantités de force entre des particules chargées électriquement dans des positions stationnaires, la loi du carré inverse de Coulomb implique les forces générées entre une paire d’objets chargés. Fondamentalement, à mesure que la distance augmente entre les objets, les forces et les champs électriques créés entre eux diminuent.
Cette loi expérimentale de la physique a servi de composante fondamentale dans l’évolution de la théorie de l’électromagnétisme à la fin du XVIIIe siècle en aidant à fournir un cadre pour la discussion des quantités de charge électrique. Aujourd’hui, la force électrique présente entre une paire de corps chargés au repos est ainsi appelée « force de Coulomb » ou, plus simplement, force électrostatique.
Cependant, les expériences menées par l’équipe de recherche de Bâle et de Tel-Aviv peuvent maintenant présenter un défi inattendu à notre compréhension de longue date de la loi.
Avec des utilisations courantes allant des fibres de vêtements antimicrobiennes et antistatiques aux applications électroniques, énergétiques et de défense, le graphène est un allotrope de carbone constitué d’une seule couche d’atomes qui ont une disposition en nid d’abeille. De tels matériaux composés de couches atomiques uniques possèdent un frottement extrêmement faible, ce qui les rend idéaux pour être utilisés comme surface de lubrification entre les composants mobiles des engins spatiaux.
Lorsqu’il est placé en contact avec des surfaces composées de platine, un métal de terre rare, le graphène est connu pour être capable d’exercer une influence considérable sur les forces de frottement. Selon des recherches récemment publiées par l’équipe internationale, ils rapportent de nouvelles découvertes surprenantes liées au mouvement du graphène sur une surface de platine qui ne dépend pas de la vitesse, une découverte qui semble ne pas correspondre à nos attentes basées sur la loi de Coulomb.
Selon l’article de l’équipe, « les expériences de microscopie à force de friction sur des superstructures moirées de surfaces de platine recouvertes de graphène démontrent qu’en plus de la dynamique atomique de stick-slip, une nouvelle voie de dissipation d’énergie dominante émerge. » Spécifiquement, superstructures moirées (également connus sous le nom de super-réseaux de moiré) sont un résultat qui se produit lorsque le graphène, utilisé en conjonction avec un substrat de platine comme celui que l’équipe a utilisé dans ses recherches, cesse de former sa configuration “en nid d’abeille” d’atomes de carbone. La surface résultante devient considérablement plus rugueuse et ne possède plus son extérieur parfaitement plat.
Le Dr Ernst Meyer, professeur à l’Institut suisse des nanosciences et au Département de physique de l’Université de Bâle et l’un des co-auteurs de l’article, explique que le déplacement de la pointe de graphène sur la surface rugueuse à vitesse lente a permis à l’équipe de « mesurer une faible et une force de frottement presque constante.
Selon leur article, les chercheurs rapportent que deux facteurs expliquent la variance observée dans les mesures de vitesse de frottement. L’un implique la force de frottement faible et presque constante à des vitesses inférieures, tandis que l’autre concerne les augmentations logarithmiques du frottement avec la vitesse lors du dépassement de certains seuils que les chercheurs ont pu identifier.
“Au-dessus d’un certain seuil, cependant, le frottement augmente alors avec la vitesse de la pointe de l’AFM”, a déclaré le Dr Yiming Song, auteur principal de l’article. “Plus la superstructure Moiré est grande, plus le seuil auquel le frottement devient dépendant de la vitesse est bas”, a déclaré Song dans un communiqué.
Sur la base de leurs recherches, une plus grande résistance a été mesurée le long des crêtes des superstructures Moiré lorsque la pointe de graphène se déplaçait à travers elles, où une déformation élastique se produit en raison de la pression du contact avec la pointe. Le résultat est une plus grande quantité de force de frottement, qui augmente avec la vitesse à laquelle la pointe se déplace, une observation complétée par des simulations et des modèles qui, selon l’équipe, les ont aidés à confirmer leurs résultats expérimentaux. Ainsi, une autre loi de longue date de la physique devient le récipiendaire de nouveaux défis de la recherche innovante.
“Sur la base des mesures et des résultats de simulation, un modèle phénoménologique est dérivé”, déclare l’équipe dans son article récent, qui, selon eux, lui a permis de produire des calculs de frottement dans une gamme de conditions expérimentales différentes mesurées à température ambiante, contribuant ainsi à fournir “Excellent accord avec les observations expérimentales.”
Le journal de l’équipe, “Dépendance à la vitesse du frottement moiré», a été publié dans la revue Nano-lettres en novembre.