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RÉSUMÉ
La tribologie est l’étude des phénomènes de frottement, d’adhésion, d’usure et de lubrification entre deux surfaces en contact, mais il s’agit de contacts multiples entre des objets rugueux. Grâce à de nouvelles techniques expérimentales et théoriques (microbalance à quartz, microscope à force atomique, appareil de mesure de force de surface), la nanotribologie permet de dévoiler les mécanismes fondamentaux du frottement, mais ramenés à un contact unique. L’article présente plusieurs exemples pour illustrer la complexité de cette démarche, comme la lubrification par un liquide simple, le frottement entre surfaces adhésives et la déformation des parois de confinement.
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Carlos Drummond : Chargé de recherche au CNRS, Centre de recherche Paul Pascal, université de Bordeaux
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Philippe Richetti : Directeur de recherche au CNRS, - Centre de Recherche Paul Pascal, université de Bordeaux
INTRODUCTION
La tribologie est la science qui étudie les phénomènes qui se produisent lorsque deux surfaces en contact subissent un mouvement relatif. Elle couvre les phénomènes du frottement, de l'adhésion, de l'usure et de la lubrification. La tribologie est une science fondamentalement interdisciplinaire : elle utilise des concepts issus de la chimie, de la science des matériaux, de la mécanique des fluides, de la physique des solides, de la rhéologie, de la cristallographie, de la physico-chimie des surfaces, de la thermodynamique et des mathématiques.
L'étude des forces de frottement est généralement compliquée. Ces forces dépendent de nombreuses variables qui ne peuvent pas toujours être contrôlées simultanément. Souvent, il s'agit d'étudier une interface qui est difficilement observable pendant le glissement. De plus, un certain nombre de processus se déroulent à différentes échelles de longueur et de temps, pouvant aller du macroscopique à l'atomique, de la femtoseconde au siècle. Pour ces raisons, la compréhension fondamentale de l'origine des forces de frottement ou la caractérisation complète d'un comportement tribologique est toujours limitée par les moyens techniques. Lors des trente dernières années, la mise au point de nouvelles techniques expérimentales et l'avènement des simulations numériques, toujours plus sophistiquées, ont permis de réaliser des progrès très significatifs, apportant une meilleure compréhension de ces phénomènes.
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2. Techniques expérimentales de nanotribologie
Afin de faire des avancées significatives dans la caractérisation des phénomènes interfaciaux, il est nécessaire d'avoir des outils expérimentaux permettant de travailler sur un contact unique (une seule aspérité), de géométrie et de chimie bien contrôlées. Ces appareils existent maintenant. Le plus communément utilisé est le microscope à force atomique (AFM, Atomic Force Microscope). Cette technique permet d'obtenir un contact à l'échelle nanométrique entre une pointe très fine et un substrat. Un second appareil, d'utilisation moins répandue, est le SFA (Surface Forces Apparatus). Cet appareil assure également un contact unique, de taille cette fois-ci microscopique, entre deux surfaces lisses à l'échelle atomique. Par la taille de leur zone de contact, ces deux techniques sont complémentaires. Dans un contact unique, des effets de taille sur le frottement peuvent en effet intervenir, notamment entre les échelles moléculaires et supramoléculaires. Un troisième dispositif utilisé pour des études de nanotribologie est la microbalance à quartz (QCM).
2.1 Microbalance à quartz (QCM)
La microbalance à quartz a longtemps été utilisée pour mesurer précisément des masses très faibles (de quelques nanogrammes à quelques microgrammes) avant d'être astucieusement utilisée pour des mesures de friction a la fin des années 1980 par Krim et Widom [4]. La QCM se compose d'un monocristal de quartz peu épais sur lequel sont déposées deux électrodes métalliques. L'application d'une différence de potentiel alternative entre les deux électrodes fait vibrer le cristal de quartz en raison de ses propriétés piézoélectriques. Quand la différence de potentiel est arrêtée, le cristal continue d'osciller avec une amplitude d'oscillation qui s'amortit dans le temps.
Dans une expérience de nanotribologie, un film est déposé sur l'une des électrodes. La présence de ce film provoque une légère diminution de la fréquence des oscillations due à l'incrément de masse et une augmentation de l'amortissement due au frottement entre le film et l'électrode, si le film est faiblement lié à l'électrode et peut glisser sur sa surface. On peut ainsi caractériser le frottement entre le film et l'électrode. Krim et Widow étudièrent par QCM le frottement d'un film monoatomique de krypton sur une électrode d'or [2]. Ils ont constaté que les forces...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - DOWSON (D.) - History of Tribology - . Longmans, London, (1979).
-
(2) - BOWDEN (F.P.), et TABOR (D.) - The Friction and Lubrication of Solids - . (Clarendon press, London, 1950)
-
(3) - KRIM (J.), SOLINA (D.) et CHIARELLO (R.) - Phys. Rev. Lett. - 66, 181, (1991)
-
(4) - KRIM (J.), WIDOM (A.) - Phys. Rev. B - 38 12184, (1988)
-
(5) - CIEPLAK (M.), SMITH (E.D.) et ROBBINS (M.O.) - Science - , 265 1209, (1994)
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(6) - BINNIG (G.), QUATE (C. F.), GERBER (C.) - Phys. Rev. Lett. - , 56 930, (1986)
-
(7) - MATE (C.M.), McCLELLAND (G.M.), ERLANDSSON (R.), CHANG...
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