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La magnétite – un matériau bidimensionnel semblable au graphène – maximise les effets quantiques pour obtenir un frottement ultra-faible

Les magnétites peuvent avoir des applications utiles en tant que lubrifiant dans des dispositifs implantables ou d’autres systèmes microélectromécaniques.

Une équipe de chercheurs de l’Université de Toronto Engineering et de l’Université Rice a rapporté les premières mesures du comportement de frottement extrêmement faible d’un matériau connu sous le nom de magnétite. Les résultats ouvrent la voie à des stratégies de conception de matériaux similaires à faible frottement pour une utilisation dans divers domaines, y compris les microdispositifs implantables.

La magnétite est une substance bidimensionnelle, c’est-à-dire qu’elle se compose d’une seule couche d’atomes. À cet égard, il est similaire à graphène, un matériau qui a été intensivement étudié pour ses propriétés inhabituelles – y compris un frottement extrêmement faible – depuis sa découverte en 2004.

« La plupart des matériaux 2D ont la forme de feuilles plates », explique Peter Searles, doctorant et auteur principal du nouvel article publié le 17 novembre 2021. progrès scientifique.

« La théorie était que ces feuilles de graphène présentent un comportement à faible friction car elles sont très lâchement liées et glissent facilement les unes sur les autres. Vous pouvez l’imaginer comme une main de cartes à jouer : il ne faut pas beaucoup d’efforts pour étaler le jeu car la friction entre les cartes est vraiment faible.

Microscope à force atomique magnétène Peter Serles

Le doctorant Peter Searles place un échantillon de magnétite dans un microscope à force atomique. De nouvelles mesures et simulations de ce matériau montrent que son comportement à faible frottement est dû à des effets quantiques. Crédit : Daria Pereveznetsev/Université d’ingénierie de Toronto

L’équipe, qui comprend les professeurs Tobin Felter et Chandra Vir Singh, Post-Doc Shwetank Yadav, et plusieurs étudiants actuels et diplômés de leurs groupes de laboratoire, a voulu tester cette théorie en comparant le graphène avec d’autres matériaux 2D.

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Alors que le graphène est constitué de carbone, la magnétite est constituée de magnétite, une forme d’oxyde de fer, qui existe généralement sous forme de réseau tridimensionnel. Les collaborateurs de l’équipe de l’Université Rice ont traité de la magnétite 3D à l’aide d’ondes sonores à haute fréquence pour séparer une couche composée de quelques couches seulement de magnétite 2D.

Ensuite, l’équipe d’ingénierie de l’Université de Toronto a placé les feuilles de magnétite dans un microscope à force atomique. Dans cet appareil, une sonde avec une pointe acérée est tirée sur le dessus de la plaque magnétique pour mesurer le frottement. Ce processus est comparable à la façon dont le stylet d’un tourne-disque est tiré sur la surface d’un disque vinyle.

« Les liaisons entre les couches de magnétite sont beaucoup plus fortes qu’elles ne le seraient entre une pile de feuilles de graphène », explique Searles. « Ils ne glissent pas l’un devant l’autre. Ce qui nous a surpris, c’est le frottement entre la pointe de la sonde et la tranche supérieure des deux chanteurs : c’était aussi faible que dans le graphène. »

magnétisation

Cette disposition montre la structure en treillis des deux aimants, les boules rouge foncé représentant le fer et les boules rouge vif représentant l’oxygène. Crédit : Shwetank Yadav / Université de Toronto Engineering

Jusqu’à présent, les scientifiques attribuaient le faible frottement du graphène et d’autres matériaux 2D à la théorie selon laquelle les plaques peuvent glisser car elles ne sont liées que par des forces faibles connues sous le nom de forces de van der Waals. Mais le comportement à faible frottement des deux aimants, qui ne présentent pas ces forces en raison de leur structure, indique qu’il se passe autre chose.

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« Lorsque vous passez de la 3D à la 2D, beaucoup de choses inhabituelles commencent à se produire à cause des effets de la physique quantique », explique Searles. « Selon l’angle auquel vous coupez la tranche, elle peut être très douce ou très rugueuse. Les atomes ne sont plus contraints dans cette troisième dimension, ils peuvent donc vibrer de différentes manières. Et la structure des électrons change également. Nous avons constaté que tous ces facteurs combinés affectent la friction. »

L’équipe a confirmé le rôle de ces phénomènes quantiques en comparant leurs résultats expérimentaux avec ceux prédits par des simulations informatiques. Yadav et Singh ont créé des modèles mathématiques basés sur la théorie fonctionnelle de la densité pour simuler le comportement de la pointe de la sonde glissant sur le matériau 2D. Les modèles qui incorporaient des effets quantiques étaient les meilleurs prédicteurs des observations expérimentales.

Selon Searles, la conséquence pratique des découvertes de l’équipe est qu’elles fournissent de nouvelles informations aux scientifiques et aux ingénieurs qui souhaitent concevoir intentionnellement des matériaux à faible frottement. Ces matériaux peuvent être utiles comme lubrifiants dans de nombreuses petites applications, y compris les dispositifs implantables.

Par exemple, on pourrait imaginer une petite pompe délivrant une quantité contrôlée d’un médicament spécifique à une partie spécifique du corps. D’autres types de systèmes microélectromécaniques peuvent récupérer l’énergie d’un cœur qui bat pour faire fonctionner un capteur, ou faire fonctionner un petit manipulateur robotique capable de trier un type de cellule d’un autre dans une boîte de Pétri.

« Lorsque vous avez affaire à de si petites pièces mobiles, le rapport surface/masse est très élevé », déclare Felter, auteur correspondant de la nouvelle étude. Cela signifie que les choses risquent de s’effondrer. Ce que nous avons montré dans ce travail, c’est que ces matériaux 2D ont un faible frottement précisément en raison de leur petite taille. Ces effets quantiques ne s’appliqueront pas aux matériaux 3D plus grands. »

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Ces effets dépendants de la taille, combinés au fait que l’oxyde de fer est non toxique et peu coûteux, rendent la magnétite très attrayante pour une utilisation dans les dispositifs mécaniques implantables, explique Searles. Mais il ajoute qu’il reste encore du travail à faire avant que les comportements quantitatifs ne soient pleinement compris.

« Nous avons essayé cela avec d’autres types de matériaux 2D à base de fer, tels que l’hématine ou la chromite, et nous ne voyons pas les mêmes signatures quantiques ou le même comportement à faible frottement », dit-il. « Nous devons donc nous concentrer sur les raisons pour lesquelles ces effets quantiques se produisent, ce qui peut nous aider à être plus agressifs dans la conception de nouveaux types de matériaux à faible frottement. »

Référence : « La friction magnétique, un matériau bidimensionnel qui n’est pas Van Der Waals » par Peter Searles, Tayeb Aref, Anand B. , Jello Costin, Chandra Veer Singh, Policle M Ajian et Tobin Felter, 17 novembre 2021, disponible ici. progrès scientifique.
DOI : 10.1126 / sciadv.abk2041