La nature comme modèle pour les roulements à faible friction

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Les propriétés mécaniques des articulations naturelles sont considérées comme sans égal. Le cartilage est recouverte d’une couche de polymère spécial permettant articulations de se déplacer pratiquement sans friction, même sous haute pression. En utilisant des simulations sur les supercalculateurs de Jülich, des scientifiques de Forschungszentrum Jülich et l’Université de Twente ont développé un nouveau procédé qui imite technologiquement lubrification biologique et améliore l’aide de deux types de polymères différents même. Les résultats seront publiés dans la revue scientifique Nature Communications .

Les lubrifiants sont nécessaires partout où des mouvements se rejoignent. Ils empêchent le contact direct entre les éléments solides et veiller à ce que les engrenages, les roulements et les soupapes fonctionnent aussi bien que possible. Selon l’application, le lubrifiant idéal doit répondre à des exigences contradictoires.D’une part, il doit être aussi mince que possible, car cela réduit la friction. D’autre part, il doit être suffisamment visqueux que le lubrifiant reste dans l’intervalle de contact. Dans la pratique, la graisse et les huiles sont souvent utilisés parce que leurs viscosité augmente avec la pression.

Lubrification biologique est en revanche beaucoup plus efficace. Dans les articulations, une mince solution aqueuse empêche friction. Le film mince reste là où il se doit grâce à une ruse de la nature. Une couche de polymère est ancré au cartilage à l’extrémité d’os. Les polymères sont une chaîne de denses, des molécules à longue chaîne. Ils dépassent des cartilages et forment des « brosses de polymères » qui attirent le lubrifiant extrêmement fluide et le maintiennent en place au point de contact.

Au cours des 20 dernières années, de nombreuses tentatives ont été faites pour imiter le modèle naturel techniquement. Mais sans succès. Les polymères tentaculaires sur des surfaces opposées de l’autre ont tendance à s’emmêler dans l’autre. Ils ralentissent les uns les autres et se détachent des surfaces. Dans les systèmes techniques, polymères individuels qui se détachent sont difficiles à remplacer, car ils ne possèdent pas les mêmes mécanismes d’auto-guérison que dans un organisme naturel.

Jülich physicien professeur Martin Muser a eu l’idée d’utiliser deux polymères différents au point de contact pour éviter que les polymères ne s’emmêlent. «Utilisation de superordinateurs, nous avons simulé ce qui se passerait si l’on appliquait les polymères solubles dans l’eau d’un côté et les polymères hydrofuges de l’autre côté», affirme le chef de la carte réseau (John von Neumann Institut pour l’informatique) groupe informatique Physique des Matériaux à l’Jülich Supercomputing Centre (JSC) « Cette combinaison de liquides à base d’huile comme lubrifiant réduit la friction de deux ordres de grandeur à base d’eau – autour d’un facteur de 90 -. par rapport à un système comportant un seul type de polymère ».

Mesures avec un microscope à force atomique à l’Université de Twente aux Pays-Bas ont vérifié les résultats. »Les deux phases différentes du séparée liquide parce qu’ils se repoussent mutuellement. Cela occupe simultanément les polymères dos et les empêche de faire saillie au-delà des frontières», explique le Dr Sissi de la bière, qui a récemment déménagé du groupe des Muser à l’Université de Twente.

Le faible coefficient de frottement à deux composants lubrifiant est intéressant pour de nombreuses applications. Un exemple sont des systèmes à piston simple, tels que des seringues, qui sont utilisés pour administrer avec précision, même de petites quantités d’un médicament. Surtout, le nouveau processus pourrait apporter des solutions à faible friction où les hautes pressions et les forces se produisent localement – par exemple, des boîtes d’essieu et des charnières. Pour lubrifiant le plus commun – huile moteur – une alternative n’a pas encore été trouvé; brosses de polymères conventionnels sont incapables de résister aux températures élevées.

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Docteur Jean-Marie Philippeau chirurgien orthopédiste à Saint-Herblain spécialisé en chirurgie du genou et traumatologie sportive. Consultation en chirurgie orthopédique à Saint-Herblain : Clinique Saint-Augustin.