Comment s'use un nano-objet ? Atome par atome...

L'usure des objets est partout dans la vie quotidienne : les couteaux qui s'émoussent, le moteur de voiture qui tourne moins bien qu'à l'achat, les vêtements qui s'éliment avec les ans... Comme tous les objets de la vie courante, les nanomatériaux s'usent. Mais pour eux, le problème est différent : ils sont constitués d'un faible nombre d'atomes. Il suffit qu'ils en perdent un peu pour qu'ils risquent d'être incapables d'assurer leur tâche. En effet, leurs fonctionnalités dépendent fortement et de leur structure de surface de leur forme, parfois bien plus que pour les objets macroscopiques.

Jusqu'à présent, l'usure était un phénomène bien mieux connu pour les objets macroscopiques comme les moteurs que pour les nano-objets. Des chercheurs de la School of Engineering and Applied Science de l'université de Pennsylvanie apportent aujourd'hui un élément de réponse dans la revue Nature Nanotechnology. Le doctorant Tevis Jacobs, qui a participé aux travaux, explique dans un communiqué que « les nanotechnologies permettent de fabriquer des éléments pour des machines de plus en plus petites. Leur interface de contact s'use très vite, parfois au bout de quelques centaines de cycles, alors qu'elles devraient en supporter des milliers de milliards ». La compréhension de leur usure est donc de la première importance. Les chercheurs ont réussi à montrer les effets d'un phénomène d'usure supposé entre deux matériaux : le transfert d'atomes, un à un, d'une surface à une autre.

Cette vue d’artiste représente la pointe de silicium d’un microscope à force atomique glissant sur une surface de diamant, en perdant des atomes au passage. À droite, la pointe observée au microscope électronique en transmission. On distingue les alignements d’atomes. © Felice Macera, université de Pennsylvanie

L’attrition atomique, responsable de la nano-usure ?

À l'échelle du nanomètre (nm, 10^-9 m), l'usure est principalement comprise au travers de deux phénomènes. Le premier, la rupture, se manifeste lors de la fracture de gros ensembles, comme la mine de crayon qui casse en plein dessin. Le second, la déformation plastiqueplastique, se manifeste quand un objet change de forme ou est comprimé. Une lame de couteau émoussée ou une pointe de fourchette pliée en sont de bons exemples. Sur des objets macroscopiques, ces deux formes d'usure affectent des millions d'atomes à la fois, alors que dans le nanomonde, les choses se passent de manière plus graduelle. Tout l'enjeu des chercheurs est de comprendre ce phénomène progressif pour concevoir de meilleurs nano-objets.

Des chercheurs avaient déjà postulé l'existence d'un mécanisme d'usure, appelé attrition atomique (ou perte d'atomes), dans lequel les atomes d'une surface sont transférés à l'autre surface par un jeu de créations et de destructions de liaisons chimiques. Ils avaient fait glisser deux surfaces l'une contre l'autre. Cette expérience reposait sur l'usage d'un microscope à force atomique (AFM), dont la pointe frottait sur une surface. Néanmoins, les chercheurs n'arrivaient pas à distinguer les rôles de la déformation plastique, de la rupture ou de l'attrition atomique dans l'arrachage des atomes.

L'innovation des chercheurs de l'université de Pennsylvanie réside dans la manière de mener l'expérience. Ils ont placé l'AFM dans l'enceinte d'un microscope électroniquemicroscope électronique en transmission (MET), qui sert de caméra pour générer des images des surfaces de frottement, en l'occurrence du silicium sur du diamantdiamant. De cette manière, les chercheurs pouvaient mesurer à la fois la distance parcourue par la pointe de silicium de l'AFM, la force de contact et le volumevolume d'atomes retirés à chaque glissement. Cette technique leur permet de distinguer des volumes d'environ 25 nm³, soit un millier d'atomes environ. C'est « un millier de fois plus précis que n'importe quelle autre méthode de détection de l'usure », précise Tevis Jacobs. Suffisant pour permettre aux chercheurs de conclure que l'usure de la pointe de silicium sur le diamant est bien due à l'attrition atomique : des atomes de silicium se lient au diamant et y restent.

La cinétique chimique pour expliquer l’usure des nano-objets

« Si c'est bien l'attrition atomique qui est à l'œuvre, alors la vitessevitesse à laquelle les liaisons sont formées et la dépendance à la force par unité de surface sont des choses bien connues. Cela implique que nous pouvons appliquer la cinétique chimiquecinétique chimique, ou théorie des vitesses de réaction, au processus d'usure », explique Robert Carpick, le professeur de mécanique appliquée et d'ingénierie qui a dirigé les recherches.

Pour l'instant, les travaux des chercheurs ne s'appliquent que dans le cas du contactcas du contact entre le silicium et le diamant, mais pourraient être employés de manière plus générale. Néanmoins, le choix de ces matériaux ne doit rien au hasard : le silicium comme le diamant sont tous deux très présents dans les nano-objets et dans les outils nécessaires pour les fabriquer. Les nanodiamants sont utilisés en médecine, et le silicium est un composant indispensable des transistors omniprésents dans les circuits électroniques.

Pour Tevis Jacobs, l'objectif à long terme est très clair. « Nous voulons arriver au point où, en sachant quels matériaux sont en contact, la duréedurée du contact et la force appliquée, nous pourrons dire quels atomes sont enlevés et à quelle vitesse. » Ces calculs pourraient améliorer significativement la conception d'objets comme des nanomoteurs, ainsi que leurs fonctionnalités. « Avec une compréhension fondamentale de l'usure, on peut concevoir des surfaces au mieux et choisir les matériaux pour réaliser des objets plus durables », enchérit Robert Carpick. Le tout en permettant des coûts de fabrication moindres.