Le magnétène pourrait avoir des applications utiles en tant que lubrifiant dans des dispositifs implantables ou d’autres systèmes micro-électro-mécaniques.
Une équipe de chercheurs de l’Université de Toronto Engineering et de l’Université Rice ont rapporté les premières mesures du comportement à très faible friction d’un matériau connu sous le nom de magnétène. Les résultats ouvrent la voie à des stratégies de conception de matériaux similaires à faible friction pour une utilisation dans une variété de domaines, y compris de minuscules dispositifs implantables.
Le magnétène est un matériau 2D, ce qui signifie qu’il est composé d’une seule couche d’atomes. À cet égard, il s’apparente à graphène, un matériau qui a fait l’objet d’études intensives pour ses propriétés inhabituelles, notamment un frottement ultra-faible, depuis sa découverte en 2004.
“La plupart des matériaux 2D sont formés sous forme de feuilles plates”, explique le doctorant Peter Serles, qui est l’auteur principal du nouvel article publié le 17 novembre 2021 dans Avancées scientifiques.
« La théorie était que ces feuilles de graphène présentent un comportement à faible frottement car elles ne sont que très faiblement liées et glissent très facilement les unes contre les autres. Vous pouvez l’imaginer comme déployer un jeu de cartes à jouer : cela ne demande pas beaucoup d’efforts pour étaler le jeu car la friction entre les cartes est vraiment faible.
Le doctorant Peter Serles place un échantillon de magnétène dans le 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 Perevezentsev / Ingénierie de l’Université de Toronto
L’équipe, qui comprend les professeurs Tobin Filleter et Chandra Veer Singh, le post-doctorant Shwetank Yadav, et plusieurs étudiants actuels et diplômés de leurs groupes de laboratoire, a voulu tester cette théorie en comparant le graphène à d’autres matériaux 2D.
Alors que le graphène est fait de carbone, le magnétène est fait de magnétite, une forme d’oxyde de fer, qui existe normalement sous forme de réseau 3D. 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 soigneusement une couche constituée de quelques feuilles de magnétène 2D seulement.
L’équipe d’ingénierie de l’Université de Toronto a ensuite placé les feuilles de magnétène dans un microscope à force atomique. Dans cet appareil, une sonde à bout pointu est traînée sur le dessus de la feuille de magnétène pour mesurer le frottement. Le processus est comparable à la façon dont le stylet d’un tourne-disque est traîné sur la surface d’un disque vinyle.
“Les liaisons entre les couches de magnétène sont beaucoup plus fortes qu’elles ne le seraient entre une pile de feuilles de graphène”, explique Serles. « Ils ne glissent pas l’un sur l’autre. Ce qui nous a surpris, c’est la friction entre la pointe de la sonde et la tranche supérieure de magnétène : elle était aussi faible que dans le graphène.
Ce schéma montre la structure en réseau du magnétène, avec les sphères rouges foncées représentant le fer et les rouges plus claires 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 feuilles 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 du magnétène, qui ne présente pas ces forces en raison de sa structure, suggère qu’il se passe autre chose.
« Lorsque vous passez d’un matériau 3D à un matériau 2D, de nombreuses choses inhabituelles commencent à se produire en raison des effets de la physique quantique », explique Serles. « Selon l’angle sous lequel vous coupez la tranche, elle peut être très lisse ou très rugueuse. Les atomes ne sont plus aussi restreints dans cette troisième dimension, ils peuvent donc vibrer de différentes manières. Et la structure électronique change aussi. Nous avons constaté que tous ces éléments affectent la friction.
L’équipe a confirmé le rôle de ces phénomènes quantiques en comparant leurs résultats expérimentaux à ceux prédits par des simulations informatiques. Yadav et Singh ont construit 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 les effets quantiques étaient les meilleurs prédicteurs des observations expérimentales.
Serles dit que le résultat pratique des découvertes de l’équipe est qu’elles offrent de nouvelles informations pour les scientifiques et les ingénieurs qui souhaitent concevoir intentionnellement des matériaux à ultra-faible frottement. De telles substances pourraient être utiles comme lubrifiants dans diverses applications à petite échelle, y compris les dispositifs implantables.
Par exemple, on pourrait imaginer une petite pompe qui délivre une quantité contrôlée d’un médicament donné à une certaine partie du corps. D’autres types de systèmes micro-électromécaniques pourraient récolter l’énergie d’un cœur battant pour alimenter un capteur, ou alimenter un minuscule manipulateur robotique capable de trier un type de cellule d’un autre dans une boîte de Pétri.
« Lorsque vous avez affaire à des pièces mobiles aussi minuscules, le rapport entre la surface et la masse est vraiment élevé », explique Filleter, auteur correspondant de la nouvelle étude. « Cela signifie que les choses sont beaucoup plus susceptibles de rester bloquées. Ce que nous avons montré dans ce travail, c’est que c’est précisément à cause de leur petite échelle que ces matériaux 2D ont un frottement si faible. Ces effets quantiques ne s’appliqueraient pas aux matériaux 3D plus grands.
Serles dit que ces effets dépendants de l’échelle, combinés au fait que l’oxyde de fer est non toxique et peu coûteux, rendent le magnétène très attrayant pour une utilisation dans les dispositifs mécaniques implantables. Mais il ajoute qu’il reste encore du travail à faire avant que les comportements quantiques ne soient pleinement compris.
« Nous avons essayé cela avec d’autres types de matériaux 2D à base de fer, tels que l’hématène ou le chromiteen, et nous ne voyons pas les mêmes signatures quantiques ou le même comportement à faible friction », dit-il. “Nous devons donc nous concentrer sur les raisons pour lesquelles ces effets quantiques se produisent, ce qui pourrait nous aider à être plus intentionnels dans la conception de nouveaux types de matériaux à faible frottement.”
Référence : « Friction of magnetene, a non – van der Waals 2D material » par Peter Serles, Taib Arif, Anand B. Puthirath, Shwetank Yadav, Guorui Wang, Teng Cui, Aravind Puthirath Balan, Thakur Prasad Yadav, Prasankumar Thibeorchews, Nithya Chakingal , Gelu Costin, Chandra Veer Singh, Pulickel M. Ajayan et Tobin Filleter, 17 novembre 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126 / sciadv.abk2041
