Quand nous étions petits, nos parents ont dû répondre à des centaines de questions: pourquoi le ciel est bleu, pourquoi l'herbe est verte, pourquoi l'eau bouillante est chaude, pourquoi vous ne pouvez pas manger que des bonbons, etc. La curiosité et le désir de comprendre le monde qui nous entoure nous accompagnent toute notre vie. Quelqu'un grandit et ces questions deviennent secondaires pour lui, et quelqu'un commence à chercher des réponses en physique, chimie et autres sciences. Aujourd'hui, nous examinerons une étude réalisée par des scientifiques de l'Université de Paris, dans laquelle ils ont décidé d'examiner plus en détail la nature glissante de la glace. Quelles découvertes intéressantes les scientifiques ont faites, nous apprenons de leur rapport. Allons-y.
Base d'étude
La glace et la neige sont glissantes car elles ont un faible coefficient de friction. Si tout était différent, le patinage artistique, le hockey, le bobsleigh et d'autres sports d'hiver ne seraient pas si excitants, et les passants ne glisseraient pas sur le trottoir gelé, montrant des pirouettes aériennes que tout patineur envierait.
La glace glissante est basée sur une couche d'eau de 1 à 100 nm d'épaisseur, selon la température. Cela a été établi grâce au travail de Michael Faraday. Cependant, les scientifiques discutent toujours de la nature de cette couche, du mécanisme de son apparition et de son interaction avec d'autres objets.
Dans des études relativement récentes, il a été constaté que le rôle principal dans le glissement sur la glace n'est pas joué par le frottement dû à la pression, mais par la fusion par frottement: la dissipation visqueuse génère de la chaleur, ce qui élève la température dans la région de contact à la température de fusion, résultant en un film lubrifiant à l'eau. Cette déclaration a été construite sur une base théorique et des mesures moléculaires, car dans la pratique, il est extrêmement difficile d'étudier en raison du fait qu'un film d'eau de fonte est généré de manière dynamique et auto-cohérente par glissement, ce qui rend l'interface entre la glace et un film d'eau presque insaisissable pour une étude détaillée. Et en raison du faible contraste de l'interface, cela n'a tout simplement aucun sens d'utiliser des méthodes standard d'interférométrie.
Il s'est avéré qu'étant un composé aussi simple, l'eau a fait casser la tête à de nombreux scientifiques qui, grâce à leurs méthodes expérimentales pour étudier ses propriétés à la surface de la glace, sont parvenues à des conclusions complètement différentes. Par exemple, une méthode montre que l'épaisseur du film d'eau est de 5 à 10 microns, et l'autre est inférieure à 50 nm. Et les mesures récentes de la température locale ont exclu la fusion complète du film d'eau interfacial pendant le glissement, ce qui contredit l'explication décrite ci-dessus (fusion par friction).
Quelle que soit la simplicité et la transparence de la glace à première vue, l'étude de ses propriétés s'est avérée compliquée et déroutante. Et la raison en est l'inefficacité des méthodes d'étude existantes.Par conséquent, dans l'étude que nous examinons aujourd'hui, les scientifiques ont proposé une approche complètement nouvelle qui nous permet de séparer les différentes composantes physiques.
Les scientifiques ont pu étudier simultanément le frottement d'un curseur (sonde) millimétrique sur la glace et les propriétés mécaniques interfaciales correspondantes d'un film d'eau de fusion à l'échelle nanométrique. Pour cela, un microscope à force atomique à balayage amélioré a été utilisé, qui était équipé d'un nanomètre avec une précision à l'échelle nanométrique.
Se préparer à l'expérience
Image n ° 1La figure
1a montre une configuration expérimentale qui contient un diapason bimode pour un microscope à force atomique. L'unité était située dans une chambre froide avec une température contrôlée de −16 ° C à 0 ° C et une humidité relative de 70–80%. Comme échantillons à l'étude, des morceaux de glace d'un centimètre obtenus à partir d'eau désionisée ont été utilisés.
Une sphère miniature en verre borosilicaté a été collée à l'une des dents d'un diapason en aluminium. L'ensemble du système peut être modélisé très précisément comme un système de ressort de charge (oscillateur harmonique) de haute rigidité K
T ≈ 102 kNm
-1 et facteur Q Q
T ≈ 2500. Ensuite, l'excitation électromagnétique à la fréquence de résonance du diapason f
T ≃ 560 Hz entraîne un mouvement oscillatoire latéral de la sphère parallèle à la surface de la glace (flèche rouge sur
1a ).
L'amplitude α
T et le déphasage ϕ
T de la sphère sont contrôlés par un accéléromètre collé sur l'une des dents. La sphère oscillante est en contact avec la surface de la glace au moyen d'un élément piézoélectrique avec un capteur de position intégré de résolution nanométrique.
Ensuite, un mouvement de glissement latéral de la sphère se produit, qui glisse ainsi fortement sur la glace avec une amplitude α
T ～ 1–30 μm et une vitesse U = 2πα
T f
T , généralement égale à 0,1 ms
-1 .
Une boucle à verrouillage de phase maintient le système en résonance en ajustant la fréquence d'excitation f
T , et la force de friction tangentielle F
F est mesurée en suivant la force d'excitation F
em T nécessaire pour maintenir une amplitude d'oscillation constante lors du glissement conformément à F
F = (K
T / Q
T ) (F
em T / F
em T, - 1) x α
T.Les scientifiques ont également utilisé des vibrations (modes) d'ordre élevé normales du diapason lui-même: tout d'abord, le premier mode est excité, associé à la fréquence de résonance f
N ≃ 960 Hz (K
N ～ 103 kNm
-1 , Q
N ～ 200), et mesure la force correspondante.
L'utilisation d'une telle petite sonde (sphère) avec une petite amplitude d'oscillation (50 nm) permet de mesurer l'impédance mécanique normale de la glace qui entre en contact avec la sonde, Z *
N = F *
N / α
N (F *
N est la force normale complexe agissant sur portée).
La technique de superposition décrite (séparation d'un complexe en plusieurs composants simples), selon les scientifiques, nous permet d'étudier les propriétés mécaniques de l'interface, tandis que le glissement tangentiel le long de la surface latérale de la glace met en œuvre les principes de la rhéométrie de superposition (étude expérimentale de la déformation et de la fluidité d'une substance). En d'autres termes, une telle configuration permet une tribométrie et une rhéologie simultanées du contact entre l'échantillon et la sonde (glace et sphère).
Les scientifiques affirment que leur nouvelle méthode permet une étude beaucoup plus précise du mécanisme de glissement des objets sur la glace, et revendiquent également un haut degré de précision et d'efficacité de l'installation développée, ce qui est confirmé par des expériences réussies avec d'autres liquides (huile de silicone, liquides ioniques, polyéthylène glycol 1000, etc.) .d.). Les propriétés de ces liquides ont été préalablement établies, car lorsque la configuration expérimentale nous a permis d'obtenir des résultats connus à l'avance, cela a confirmé son opérabilité et son efficacité.
Procédure d'expérimentation
Tout d'abord, un essai de la sphère a été effectué, nécessaire pour aligner les surfaces de la sonde et de l'échantillon l'une par rapport à l'autre. Ensuite, la sonde a été lentement abaissée jusqu'à l'échantillon pour atteindre le contact entre eux (
1b ): la profondeur d'indentation δ augmente et la force de friction augmente lorsque la sonde commence à glisser sur la glace. L'indentation maximale a été maintenue suffisamment petite δ
0 ～ 3 μm pour empêcher la dissipation.
L'impédance conservatrice normale Z '
N a été fixée à Z'
N0 en ajustant la position d'indentation maximale δ
0 . Ce processus d'ajustement se produit en fixant la charge sur la sphère, qui est obtenue en intégrant le gradient Z'N sur la profondeur d'indentation. Et cela, à son tour, vous permet de modifier la force de friction latérale (latérale) pour une charge donnée (
1b ).
Suite à cela, la sphère est retirée de l'échantillon, grâce à quoi la force de friction diminue progressivement jusqu'à zéro.
Ainsi, il est possible d'étudier tous les aspects du processus de contact d'un objet avec de la glace à une charge spécifiée et à différents points de contact.
Résultats de l'expérience
Le graphique
1c représente la force de frottement latéral F
T en fonction de la vitesse tangentielle U associée à α
T dans la gamme 1 ... 30 μm. La force de friction ne disparaît pas à basse vitesse, comme la friction sur un solide. De plus, il existe une faible atténuation de la force de frottement en fonction de la vitesse: F
T ∝ U
-γ , où γ ～ 0,3 - 0,5.
Il a également été constaté qu'à vitesse fixe, la force de frottement est proportionnelle à la charge normale. Cela indique un frottement "dur", dont le coefficient est µ = 0,015.
Les expériences suivantes ont été réalisées, mais à différentes températures, ce qui nous a permis de déterminer la dépendance en température de la force de frottement (
1d ).
À une température proche du point de fusion, la force de friction augmente progressivement. Il convient de noter qu'il existe une température minimale à laquelle il existe une force de friction minimale. Pour cette expérience, il a été constaté que cette température serait inférieure à -10 ° C. Cependant, il n'est pas encore possible d'étudier des températures plus basses (inférieures à -16 ° C) sur la configuration expérimentale considérée.
Image n ° 2L'étape suivante de l'étude a été d'établir les propriétés mécaniques de l'interface lors du glissement. Les parties réelle (Z '
N ) et imaginaire (Z' '
N ) de l'impédance mécanique, qui sont liées à la réponse élastique et dissipative de l'interface, ont été mesurées.
La figure
2a montre les mesures de l'impédance mécanique normale au contact de la sonde et de l'échantillon, ainsi que lorsque la sonde est retirée de l'échantillon. Dans ce cas, une tendance similaire à la force de frottement (F
F ) est observée: un plateau lors de la régulation à Z '
N0 , suivi d'une diminution progressive lors de la rétraction de la sonde. La dissipation a été estimée en construisant la fonction inverse de la dépendance de l'impédance dissipative 1 / Z
N sur la distance de retrait de la sonde (
2b ). Un aspect important de cette mesure est le fait que l'impédance varie linéairement par rapport à la distance de prise. Ce n'est qu'avec une distance de rétraction importante que ce processus se casse légèrement et que de légères déviations par rapport au comportement linéaire se produisent.
Pour une vitesse de glissement U qui ne disparaît pas, le fluide intermédiaire présente une réaction visqueuse lors du retrait de la sonde. Le comportement linéaire observé de 1 / Z
N N en fonction de
d indique également que la viscosité η
R est indépendante de la profondeur d'indentation.
Il convient également de noter que l'épaisseur du film hydrodynamique h
hyd n'est pas fixe, mais ajustée indépendamment pour obtenir une valeur stationnaire. Selon la relation linéaire entre h
hyd et 1 / Z '
N , l'épaisseur du film fixe (h
0 ) peut être calculée à partir des mesures du module de dissipation Z'
N.On peut voir sur la
figure 2a que, dans le mode de commande, Z ''
N atteint un plateau exprimé en fonction de la dépendance du temps, de la vitesse de contact de l'échantillon avec la sonde et de la charge normale. Par conséquent, en utilisant la formule ci-dessus, la valeur de l'épaisseur de film constante (
2b ) peut être dérivée.
On peut également supposer que l'épaisseur hydrodynamique sera la somme de l'épaisseur réelle du film et de la longueur de glissement, le cas échéant. Cependant, étant donné la nature hydrophile de la glace, il est également à prévoir que la longueur de glissement sera extrêmement faible (quelques nanomètres), par conséquent l'épaisseur hydrodynamique doit être considérée comme l'épaisseur réelle du film.
Les expériences menées dans lesquelles différentes températures, vitesses de glissement et charges ont été appliquées ont permis de déterminer pratiquement l'épaisseur de film constante.
2c montre comment l'épaisseur du film varie en fonction de la vitesse tangentielle. On pensait auparavant qu'une augmentation de la vitesse entraîne une augmentation directe de l'épaisseur, mais en pratique, il a été constaté qu'il n'y avait pratiquement pas de connexion. Le même couplage faible a été observé en ce qui concerne l'épaisseur et la charge. Mais la température avait déjà un effet prononcé sur l'épaisseur du film (
2d ): l'épaisseur augmentait de 100 à 500 nm avec l'augmentation de la température. De plus, les observations ont montré que l'épaisseur du film fixe est environ 4 fois supérieure à celle des films d'équilibre à l'état de pré-fusion (couleur bleu clair par
2d ).
Une autre observation importante au cours des expériences a été l'identification de la rhéologie viscoélastique du film interfacial au moment du glissement.
Image n ° 3Le graphique
3a montre l'inversion de la résistance élastique 1 / Z '
N , qui montre un changement linéaire avec l'augmentation de la distance de séparation
d lors du retrait de la sonde de l'échantillon.
Les expériences avec différentes variables (vitesse et température) ont révélé le fait que les extrapolations linéaires des modules d'élasticité inverse et de dissipation se coupent au même zéro hydrodynamique avec une erreur de 30%. Une image similaire est assez courante pour les liquides complexes (polymères et polyélectrolytes).
Les calculs des résultats d'observation ont montré que la viscosité mesurée η
R pendant le glissement est beaucoup plus élevée que la viscosité typique de l'eau surfondue (en dessous de la température de cristallisation) à la même température (ligne pointillée orange en
3b ). La viscosité décroît progressivement en fonction de la vitesse tangentielle, similaire à la force de frottement: η
R, I ∝ U
−α , où α ～ 0,3-0,5 (
3b ).
La chose la plus intéressante est que η
R augmente beaucoup à l'approche du point de fusion et atteint une valeur 2 fois supérieure à celle de l'eau à 0 ° C (
4a ).
Image n ° 4Toutes les observations ci-dessus, selon les chercheurs eux-mêmes, confirment la rhéologie étonnamment complexe de l'eau de fonte. Premièrement, le film d'eau interfacial pendant le glissement devient "visqueux comme l'huile" (mots des scientifiques), c'est-à-dire sa viscosité est 2 fois supérieure à celle de l'eau ordinaire. Cette observation permet de comprendre comment la glace peut glisser lorsque l'eau est considérée comme un lubrifiant extrêmement pauvre. Ainsi, une fine pellicule à la surface de la glace limite l'empreinte d'un objet glissant dessus, ce qui évite le contact direct entre ces deux solides (glace et lame de patins par exemple).
Il s'avère que l'eau formée sous la forme d'un film à la surface de la glace au moment du glissement est un excellent lubrifiant, contrairement à l'eau ordinaire.
Les scientifiques ont décidé de tester à nouveau leur modèle, mais avec l'ajout d'un revêtement hydrophobe de la sonde, car dans les sports d'hiver, un tel revêtement (par exemple, de la cire) est très souvent utilisé pour réduire les frottements.
La configuration expérimentale ne différait que par le fait que la sonde sphérique en verre était cette fois recouverte d'une couche de monosilane (SiH
4 ).
Image n ° 5En effet, la friction par rapport aux expériences précédentes a diminué de 10 fois. La diminution de la friction est devenue plus prononcée lorsque le point de fusion a été atteint.
Il a été constaté que la diminution de la friction n'est pas liée à l'épaisseur modifiée du film hydrodynamique (
5b ). Et il y a deux conclusions: premièrement, cela élimine l'effet du glissement hydrodynamique fini sur la surface, ce qui est habituel pour les liquides complexes; d'autre part, cela confirme que l'épaisseur hydrodynamique n'est pas soumise à l'effet de glissement, même dans le cas d'une sonde propre (sans revêtement SiH
4 ).
Très probablement, il y a une diminution de la partie matérielle de la viscosité de la sonde hydrophobe par rapport à la sonde hydrophile. Cet effet est amplifié lorsque la température s'approche du point de fusion (
5c ).
Les expériences menées décrivent très bien divers aspects de l'influence des processus nanométriques sur le frottement macroscopique de la glace. Mais il est impossible d'appliquer de telles conclusions à la neige, car c'est un matériau encore plus complexe. Par conséquent, ses propriétés en matière de glisse doivent encore être étudiées à l'avenir.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le
rapport des scientifiques et
les documents supplémentaires qui s'y rapportent.
Épilogue
Tout n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Cette étude, selon les déclarations audacieuses de ses auteurs, change complètement notre compréhension des mécanismes de glissement sur la glace et des processus qui se produisent en ce moment.
L'utilisation d'une nouvelle méthode de recherche, beaucoup plus précise que ses prédécesseurs, nous a permis d'obtenir des résultats étonnants. Le film d'eau recouvrant la surface de la glace, au moment où la sonde a glissé dessus, est devenu visqueux, comme de l'huile, empêchant ainsi le contact de la glace et de la sonde et permettant à la sonde de glisser sur la surface.
Les scientifiques pensent que leur travail présente non seulement des avantages théoriques, donnant une compréhension plus large de l'environnement, mais également une application pratique. La nature autolubrifiante de la glace conduit à la création et à l'étude de solides mous et variant en phase, qui peuvent agir comme des films anti-usure.
Quoi qu'il en soit, nous savons maintenant ce qui se passe lorsque nous patinons ou tombons, glissant sur de la glace saupoudrée de neige, jetant la poubelle en l'air à la hauteur du deuxième étage (expérience personnelle :)).
Merci de votre attention, restez curieux, regardez vos pieds et bonne semaine de travail, les gars! :)
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