104
A. CORNET et J.-P. DEVILLE
L‘atome B est en équilibre sous l’action du ressort et des forces exercées par
les atomes en regard : ces forces dérivent respectivement des potentiels VBB et
V ,
.
Comme le substrat inférieur se déplace, le potentiel combiné d’interaction
V, change. Dans le cas de l’interaction forte (séquences du haut sur la Fig. 3. lo),
l’atome est d’abord repoussé à droite ; au-delà d u n demi-espacement atomique,
il << décroche >> et revient en arrière à gauche, réalisant l’équivalent atomique du
mouvement saccadé. On peut en donner une interprétation énergétique en
tenant compte de l’évolution du potentiel V, ; la thermodynamique nous
enseigne qu’un atome doit toujours se placer sur un minimum du puits de
potentiel. Dans l’étape (d), l’atome se place sur un minimum local métastable qui
disparaît en (e) : l’atome tombe au fond du minimum stable du puits. Le processus est irréversible et la différence d’énergie entre le minimum local et le minimum stable est perdue, elle est convertie en énergie de vibration quantifiée sous
forme de phonons, puis finalement dissipée thermiquement dans le substrat.
Si l’interaction est plus faible (séquences du bas de la Fig. 3.10), le potentiel
n’a plus de minimum local et l’atome reste à l’équilibre pendant son déplacement
à travers un champ de force alternativement attractif et répulsif ; aucune énergie
n’est alors dissipée et la force de frottement est nulle.
Sur u n plan expérimental, Israelaschvili a mis a u point des méthodes de
mesure du frottement à l’échelle atomique(22) faisant appel à un dispositif de
mesure de la force entre deux surfaces (surfaceforce apparatus - SFA) dont le
principe est présenté sur la figure 3.1 1.
Les dispositifs macroscopiques font appel à des systèmes multicontacts, les
appareils nanoscopiques utilisent des systèmes monocontact constitués par des
surfaces dépourvues de toute rugosité. On utilise du mica clivé qui permet d’obtenir des surfaces << atomiquement >> planes de plusieurs cm2. Ce mica, métallisé
sur sa face arrière, est courbé sur des cylindres croisés dont le rayon de courbure est de l’ordre de 2 cm : on mesure la distance entre les cylindres en provoquant des interférences en lumière blanche qu’on analyse a l’aide d’un spectrographe. On peut mesurer une force ou appliquer une force déterminée à
condition de la stabiliser par une contre-réaction.
Pour étudier le frottement atomique on peut également faire appel a u microscope à force atomique latérale qui permet de mesurer la force nécessaire pour
déplacer des atomes u n par u n (voir la Sect. 2.3.2 du Chap. 5). Tous ces dispositifs sont basés sur des leviers élastiques et, comme dans ce qui précède, il faut
tenir compte de la raideur de ces leviers pour interpréter les résultats.
Certaines expériences conduisent à des résultats surprenants, par exemple :
certaines molécules liquides n’ont pas le rôle lubrifiant qu’on leur prévoyait
tout simplement parce qu’elles G engrènent >> mécaniquement dans les lacunes
des surfaces et qu’il faut alors les cisailler pour permettre le mouvement :
(22) Brushan B., Israelaschvili J. et Landman U., Nanotribology : friction, wear and lubrication at the atomic scale, Nature 374 (1995) 607-616.
A. CORNET et J.-P. DEVILLE
L‘atome B est en équilibre sous l’action du ressort et des forces exercées par
les atomes en regard : ces forces dérivent respectivement des potentiels VBB et
V ,
.
Comme le substrat inférieur se déplace, le potentiel combiné d’interaction
V, change. Dans le cas de l’interaction forte (séquences du haut sur la Fig. 3. lo),
l’atome est d’abord repoussé à droite ; au-delà d u n demi-espacement atomique,
il << décroche >> et revient en arrière à gauche, réalisant l’équivalent atomique du
mouvement saccadé. On peut en donner une interprétation énergétique en
tenant compte de l’évolution du potentiel V, ; la thermodynamique nous
enseigne qu’un atome doit toujours se placer sur un minimum du puits de
potentiel. Dans l’étape (d), l’atome se place sur un minimum local métastable qui
disparaît en (e) : l’atome tombe au fond du minimum stable du puits. Le processus est irréversible et la différence d’énergie entre le minimum local et le minimum stable est perdue, elle est convertie en énergie de vibration quantifiée sous
forme de phonons, puis finalement dissipée thermiquement dans le substrat.
Si l’interaction est plus faible (séquences du bas de la Fig. 3.10), le potentiel
n’a plus de minimum local et l’atome reste à l’équilibre pendant son déplacement
à travers un champ de force alternativement attractif et répulsif ; aucune énergie
n’est alors dissipée et la force de frottement est nulle.
Sur u n plan expérimental, Israelaschvili a mis a u point des méthodes de
mesure du frottement à l’échelle atomique(22) faisant appel à un dispositif de
mesure de la force entre deux surfaces (surfaceforce apparatus - SFA) dont le
principe est présenté sur la figure 3.1 1.
Les dispositifs macroscopiques font appel à des systèmes multicontacts, les
appareils nanoscopiques utilisent des systèmes monocontact constitués par des
surfaces dépourvues de toute rugosité. On utilise du mica clivé qui permet d’obtenir des surfaces << atomiquement >> planes de plusieurs cm2. Ce mica, métallisé
sur sa face arrière, est courbé sur des cylindres croisés dont le rayon de courbure est de l’ordre de 2 cm : on mesure la distance entre les cylindres en provoquant des interférences en lumière blanche qu’on analyse a l’aide d’un spectrographe. On peut mesurer une force ou appliquer une force déterminée à
condition de la stabiliser par une contre-réaction.
Pour étudier le frottement atomique on peut également faire appel a u microscope à force atomique latérale qui permet de mesurer la force nécessaire pour
déplacer des atomes u n par u n (voir la Sect. 2.3.2 du Chap. 5). Tous ces dispositifs sont basés sur des leviers élastiques et, comme dans ce qui précède, il faut
tenir compte de la raideur de ces leviers pour interpréter les résultats.
Certaines expériences conduisent à des résultats surprenants, par exemple :
certaines molécules liquides n’ont pas le rôle lubrifiant qu’on leur prévoyait
tout simplement parce qu’elles G engrènent >> mécaniquement dans les lacunes
des surfaces et qu’il faut alors les cisailler pour permettre le mouvement :
(22) Brushan B., Israelaschvili J. et Landman U., Nanotribology : friction, wear and lubrication at the atomic scale, Nature 374 (1995) 607-616.