Les Prof. Michael Urbakh et Oded Hod de l’École de chimie de l’Université de Tel- Aviv ont mis au point une technologie de lubrification révolutionnaire qui élimine presque complètement le frottement entre des surfaces en contact, empêchant ainsi l’usure mécanique et réalisant d’importantes économies d’énergie.
L’étude, réalisée en collaboration avec les Prof. Ming Ma et Quan-shui Zheng de l’Université Tsinghua à Pékin dans le cadre du Centre Xin pour l’innovation conjoint aux deux universités, pourra avoir une infinité d’applications dans les domaines les plus divers, des moteurs aux articulations de notre corps, impactant tous les domaines de notre vie. Elle a été publiée le 30 juillet 2018 dans la prestigieuse revue Nature Materials.
“Le frottement est une force physique de base qui existe dans tous les systèmes mécaniques. Il constitue souvent un élément essentiel pour leur fonctionnement, mais provoque également une érosion et une perte d’énergie considérables”, explique le Prof. Urbakh. ” On estime qu’environ 30% de l’énergie fournie par le carburant des véhicules est perdue en raison de ce phénomène de friction. C’est pourquoi les scientifiques du monde entier tentent de développer des systèmes qui réduisent le plus possible le niveau de frottement entre les entités.
En 1993, un groupe de chercheurs japonais a inventé le concept de ‘super-lubrification’ pour démontrer l’existence théorique possible d’un état de friction ultra-bas ou nul entre des surfaces en mouvement. Cependant, à ce jour, aucun véritable système de ‘super-lubrification’ n’a été mis en œuvre dans des dispositifs mécaniques de plus de quelques nanomètres (milliardième de mètre)”.
Les chercheurs ont mis au point un mécanisme de lubrification révolutionnaire qui réduit le frottement entre les surfaces à quasiment zéro, et peut s’adapter à un large éventail d’applications pratiques.
“L’étude est basée sur des travaux théoriques de l’Université de Tel-Aviv, portant sur le graphène, matériau bidimensionnel cristallin dont l’empilement constitue le graphite”, explique le Prof. Hod. “Selon ces travaux, l’interface entre la surface du graphène et celle du nitrure de bore hexagonal (ou h-BN, également connu sous le nom de graphène blanc) devrait présenter un aspect super-lubrifiant quelque soit l’orientation des surfaces. Cela signifie que si l’on recouvre deux composants mécaniques qui se déplacent l’un sur l’autre, l’un de graphite (multi-couches de graphène) et l’autre de graphène blanc (multi-couches de h-BN), on pourra obtenir le lubrifiant le plus efficace possible”.
La raison réside dans la structure cristalline des deux surfaces. Les atomes des deux matériaux sont disposés en couches, chaque couche ressemblant à une ruche d’hexagones. Mais les hexagones du graphène blanc sont légèrement plus grands que ceux du graphène. De ce fait, les deux surfaces ne sont jamais en parfaite adéquation et glissent donc facilement l’une sur l’autre dans toutes les directions. Ceci par comparaison avec deux surfaces faites du même matériau, qui ont la même structure, et donc s’emboitent l’une dans l’autre (Imaginez deux boites d’œufs parfaitement empilées l’une sur l’autre …)
Les chercheurs de l’Université de Tsinghua associée à l’Université de Tel-Aviv dans le cadre du Centre Xin, ont réalisé une série d’expériences mettant cette théorie en pratique, obtenant des résultats impressionnants avec des structures carrées de 3 microns de côté, présentant une surface de contact un million de fois plus grand que dans les expériences précédentes, réalisées sur des interfaces de graphène à l’échelle nanométrique seulement.
“Leurs mesures, étayées par nos calculs, ont montré un frottement ultra faible entre les deux surfaces, glissant l’une sur l’autre sous n’importe quel angle”, explique le Prof. Hod. “En fait, ce lubrifiant réduit de mille fois le frottement par rapport au niveau de friction mécanique que nous connaissons tous dans la vie quotidienne”.
“Nous attendons des applications infinies de cette technologie que nous avons développé”, conclut le Prof. Urbakh. “Des surfaces d’une taille de plusieurs microns, comme celles que nous avons testées, peuvent convenir dès aujourd’hui à des appareils minuscules, comme des composants d’horloges, des dispositifs micro-électromécaniques tels que des capteurs accéléromètres, des capteurs chimiques ou des dispositifs piézoélectriques.
Dans l’avenir on pourra également développer des surfaces plus grandes, qui pourront être installées dans les moteurs de voitures, les paliers de satellites, et peut-être même dans les corps vivants. De tels systèmes de superlubrifiants économiseront une énorme quantité d’énergie et préviendront l’érosion et l’usure dans tous les types de mécanismes, des moteurs aux articulations de notre corps en passant par les seringues médicales”
