Les meubles bougent dans le micro-monde


Les meubles bougent dans le micro-monde

Représentation schématique de l’évolution du motif de moiré sous l’influence de forces et de couples externes pour un amas colloïdal de forme circulaire interagissant avec une périodiquement structurée. Les zones où les particules de l’amas sont proches du fond des puits de la surface à motifs apparaissent sous forme de zones de couleur sombre les motifs moirés respectifs. La largeur des flèches représente la quantité de force et/ou de couple nécessaire pour surmonter la friction entre le cluster et la surface. Crédit : Andrea Silva et Xin Cao

Lorsque vous déplacez des , les objets lourds sont plus faciles à déplacer si vous les faites pivoter tout en les poussant. Beaucoup de gens le font intuitivement. Une équipe internationale de chercheurs de Constance (Allemagne), Trieste et Milan (Italie) a maintenant examiné la réduction du frottement statique par rotation simultanée à un niveau microscopique.

Dans leur dernière étude, à paraître dans Contrôle physique X Le 15 juin, les chercheurs ont découvert que la réduction du frottement statique d’un objet microscopique sur une surface cristalline peut être décrite par des motifs moirés qui surviennent lorsque des motifs périodiques se chevauchent. Sur la de ce concept, les chercheurs prédisent un état inhabituel dans lequel des objets microscopiques peuvent être mis en rotation en appliquant un couple minimal. Cela pourrait permettre la construction de micromachines avec un frottement statique ultra-faible contre la rotation à l’avenir.

mettre des objets en mouvement

Afin de mettre un objet en mouvement, il faut le pousser pour surmonter son frottement statique avec la surface sous-jacente. Cela est vrai même lorsque les surfaces en contact sont très lisses. L’expérience quotidienne nous enseigne que le frottement statique est beaucoup plus faible lorsque l’objet est non seulement poussé, mais tourné en même temps. Même si des chercheurs bien connus tels que Léonard de Vinci ont étudié les phénomènes de frottement il y a plus de 500 ans, le lien entre les forces de frottement statiques et les couples n’est toujours pas entièrement compris. Ceci est tout à fait remarquable puisque le frottement de rotation résulte de la même interaction entre un objet et la surface sous-jacente que le frottement de translation bien étudié.

La relation complexe entre le frottement statique de translation et de rotation devient encore plus intrigante à l’ microscopique, où les contacts peu profonds sont aussi petits que quelques centaines à quelques milliers d’atomes. « De tels micro-contacts se produisent, par exemple, dans de minuscules composants mécaniques, les soi-disant systèmes micro-électromécaniques (MEMS), dont le comportement est dominé par les effets de frottement », explique le professeur Clemens Bechinger, chef de l’équipe de recherche et professeur de recherche expérimentale. physique à l’Université de Constance, donnant un exemple où les effets de frottement au niveau microscopique jouent un rôle important. Le frottement en rotation et son interaction avec le frottement en translation pour des contacts aussi petits est resté assez inexploré, car il est techniquement très difficile d’appliquer des couples bien contrôlés à des micro-objets en rotation.

Les motifs moirés sont essentiels

Dans leur étude actuelle, qui combine des approches expérimentales et théoriques, les chercheurs de Constance, Trieste et Milan ont maîtrisé ce défi et étudié le frottement rotationnel et son interaction avec le frottement translationnel pour les contacts microscopiques. « Pour nos expériences, nous avons produit des amas cristallins de billes magnétiques de taille micrométrique et les avons mis en contact avec une surface structurée avec des dépressions régulièrement répétées », explique le Dr. Xin Cao, l’un des premiers auteurs de l’étude et membre Humboldt du groupe de travail de Clemens Bechinger, décrit le point de départ des expériences. Il poursuit : « Ce réglage imite la zone de contact entre deux surfaces atomiquement planes. »

Les amas bidimensionnels – avec des contacts à la surface composés de 10 à 1000 particules sphériques – ont ensuite été mis en mouvement de rotation à l’aide d’un champ magnétique rotatif hautement contrôlable. Le couple minimum requis pour mettre le cluster respectif en rotation correspond au frottement statique de rotation, similaire au frottement statique de translation, qui caractérise la force minimale requise pour obtenir le mouvement de translation du cluster.

Dans leur étude, les chercheurs ont découvert que l’interaction du frottement rotationnel et translationnel peut être comprise à travers les propriétés des soi-disant motifs de moiré. Ces modèles surviennent lorsque deux ou plusieurs structures périodiques se chevauchent. « Des motifs de moiré visuels peuvent être observés, par exemple, lorsque des plis et des couches individuelles du rideau se chevauchent dans un rideau à mailles fines », explique le Dr. Andrea Silva, deuxième premier auteur de l’étude et physicien à l’École internationale d’études avancées (SISSA). ) à Trieste. « Les motifs résultants sont extrêmement sensibles aux mouvements relatifs infimes et présentent des structures géométriques de niveau supérieur non présentes dans les structures qui se chevauchent elles-mêmes. »

L’avantage de la rotation simultanée

Revenant aux expériences, Andrea Silva décrit : « Le contact entre l’amas de particules et la surface sous-jacente dans les zones où les périodicités de la structure des deux objets correspondent peut être comparé aux œufs dans une boîte à œufs. » Sans l’application de forces externes ou couples, cette zone de recouvrement structurel est maximale, ce qui signifie qu’un grand nombre de particules de l’amas se trouvent près du fond des puits de la surface structurée, d’où un frottement statique élevé.

Lorsqu’une force est appliquée au cluster pour le pousser dans une certaine direction, la zone de chevauchement structurel se déplace vers le bord de la zone de contact. Cela le rend plus petit. Cependant, un grand nombre de particules se « coincent » dans les dépressions du substrat, de sorte qu’une force relativement importante est nécessaire pour vaincre la résistance au mouvement de l’amas et le détacher du substrat. Si, au contraire, le cluster est tordu avec un couple, la zone de recouvrement se rétrécit de manière symétrique. « Cela rend le cluster beaucoup plus facile à pousser et à déplacer, car la zone de chevauchement structurel a déjà été considérablement réduite par le couple appliqué », explique Xin Cao sur la façon dont pousser et tourner en même temps réduit la friction statique.

Sur la base des propriétés des motifs de moiré observés, les physiciens ont non seulement été en mesure d’expliquer pourquoi une rotation supplémentaire facilite la translation d’objets microscopiques, mais également de faire des prédictions sur la dépendance du frottement statique contre les rotations sur la taille de l’amas : si cette dernière est dépassé, le frottement statique augmente à partir d’un certain seuil contre les rotations, ce qui entraîne un état de frottement ultra-faible pour les très grands clusters. « Un tel état de faible frottement peut être d’une grande importance pour la fabrication et le fonctionnement de petits dispositifs mécaniques – de l’atomique à la micro-échelle – et nous rapprocher de la réalisation de machines plus petites et plus efficaces », conclut Clemens Bechinger.



Plus d’information:
Xin Cao et al., Moiré Pattern Evolution Couples Rotational and Translational Friction at Crystalline Interfaces. arXiv:2204.12336v1 [cond-mat.soft]arxiv.org/abs/2204.12336

Fourni par l’Université de Constance

Citation: Moving Furniture in the Microworld (10 juin 2022), récupéré le 10 juin 2022 sur https://phys.org/news/2022-06-furniture-micro-world.html

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