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Friction moléculaire sur une brosse polymère


Friction moléculaire sur une brosse polymère

Si les lois de la friction ont été étudiées par Léonard de Vinci, puis formalisées par Amonton (17ème siècle) puis Coulomb (18ème siècle), les premiers modèles microscopiques qui ont permis de décrire précisément ce qui se passe au niveau du contact entre deux solides datent des années 1950. Ces études pionnières ont mis en évidence le rôle de la rugosité des surfaces et le caractère multicontact de la plupart des contacts macroscopiques. La force de friction résulte alors des déformations des aspérités en contact, qui régissent l’aire réelle de contact entre les deux solides, et de la friction se développant sur chacun des contacts. Ainsi, quand on cherche à prédire et contrôler la friction entre deux surfaces, une étape nécessaire est de comprendre les mécanismes de la friction au niveau d’un contact unique.

 

La solution généralement choisie pour réaliser des mesures de friction sur des contacts uniques est d’utiliser des contacts nanométriques dans des microscopes à force atomique (AFM) ou des surfaces modèles dures et atomiquement lisses dans les appareils à forces de surfaces (SFA). Une équipe du Laboratoire de physique des solides a proposé d’utiliser une technique alternative en mesurant la force de frottement entre une surface sphérique d’élastomère souple en contact avec un substrat rigide. Le caractère déformable de l’élastomère permet d’assurer un contact moléculaire entre les surfaces tout en maintenant la pression dans le contact à un niveau faible, contrairement à ce qui se passe dans un appareil SFA.

 

Il a ainsi été possible d’étudier les mécanismes moléculaires de la friction entre une sphère d’élastomère silicone (PDMS) et un plan rigide sur lequel de très longues molécules du même polymère, appelées chaînes greffées sont attachées par une de leurs extrémités. Plusieurs régimes de friction ont été mis en évidence en fonction du nombre de chaînes greffées par unité de surface. Quand il y a peu de chaînes greffées, elles sont susceptibles diffuser à l’intérieur de l’élastomère. La force de friction est alors due au fait que la mise en mouvement de la sphère sur le plan nécessite l’extraction de chaque chaîne greffée en dehors de la sphère élastomère. Lorsqu’il y a de nombreuses chaînes greffées, elles pénètrent plus que marginalement à l’intérieur de l’élastomère qui devrait trop se déformer pour leur laisser la place. Le mécanisme de friction est alors totalement différent. La mise en mouvement de la sphère cisaille le tapis de chaînes greffées qui sont enchevêtrées. Cette couche nanométrique de polymère se comporte alors comme un fluide sur lequel glisse la sphère élastique. La couche cisaillée présente un caractère rhéofluidifiant, c’est-à-dire que sa résistance au cisaillement, quantifiée par une viscosité effective, diminue avec la vitesse de glissement de la sphère.

 

Ce qui est remarquable, c’est que la couche de chaînes greffées présente exactement le même comportement rhéofluidisant que le même polymère à l’état liquide fondu mais, avec des chaînes greffées, ce comportement est obtenu à des vitesses beaucoup plus faibles que pour le polymère libre. Ces expériences mettent en évidence la façon dont le greffage affecte toute la dynamique des polymères et montrent que la friction est une mesure très sensible de cette dynamique.

 

Une perspective de ce travail est d’utiliser les mécanismes d’étirement de macromolécules flexibles pour contrôler la friction et ouvrir la voie à la fabrication de surfaces aux propriétés ajustables.

 

Figure 1  : Frottement entre une sphère élastique et un tapis de chaînes de polymère greffées.

 

Figure 2  : Viscosité effective de différentes couches de polymère greffées nanométriques (points) comparée à la viscosité des mêmes polymères libres dans un rhéomètre classique (traits continus et pointillés). Le régime rhéofluidisant, où la viscosité décroît avec le taux de cisaillement est identique pour les polymères en volume et pour les films greffés nanométriques.

 

Référence  :

Cohen, C., Restagno, F., Poulard, C. & Leger, L. Incidence of the molecular organization on friction at soft polymer interfaces. Soft Matter 7, 8535-8541 (2011).

 

Contacts :

F. Restagno : (restagno@lps.u-psud.fr)

L. Léger : (leger@lps.u-psud.fr)