Images de science : s’il te plaît, dessine-moi un… tout Petit Prince

Le Petit Prince est apparu devant nos yeux émerveillés lors d'une séance de microscopie, en étudiant un film de carbone adamantin. Colorisé. Louis-Marie Lebas et Aslihan Sayilan, Fourni par l'auteur
Le Petit Prince est apparu devant nos yeux émerveillés lors d'une séance de microscopie, en étudiant un film de carbone adamantin. Colorisé. Louis-Marie Lebas et Aslihan Sayilan, Fourni par l'auteur

Cette image microscopique provient d’une étude d’un film de « carbone de type diamant ». Pour étudier la résistance du film au frottement et à l’usure – la tribologie, nous avons utilisé un tribomètre fabriqué en laboratoire en le frottant avec une bille d’acier dans un microscope. Après 100 cycles, des particules de film déformées s’accumulent – et cette fois-ci, elles dessinèrent une forme bien particulière…

… où nous avons vu se former, par hasard, la page de couverture du « Petit Prince ».

Nous avons coloré l’image, pour mettre en valeur le petit prince – qui fait ici environ 50 microns de haut, le renard et la rose.

Les films de carbone de type diamant sont des revêtements « autolubrifiants » grâce à leur faible coefficient de friction – leurs propriétés de friction changent au niveau moléculaire en présence de vapeur d’eau. Cette propriété en fait un matériau de choix pour être utilisé comme revêtement durable pour des applications « tribologiques », telles que les roulements et les pièces automobiles.

Qu’est-ce que la tribologie ?

La tribologie est le domaine scientifique qui étudie le comportement de frottement, d’usure et de lubrification des matériaux. Dans notre étude, les films de carbone de type diamant ont été déposés grâce à une technique respectueuse de l’environnement et efficace pour le dépôt de films minces.

Pour étudier en détail la friction et l’usure de ces films en tenant compte des différentes conditions environnementales (vide, humidité…) à l’échelle microscopique et en fonctionnement, nous avons installé un tribomètre à l’intérieur d’un microscope électronique à balayage. Puis nous avons effectué des essais à l’intérieur de la chambre du microscope, en partant d’un vide poussé (le vide est l’environnement habituel dans la plupart des techniques de microscopie) puis en ajoutant de la vapeur d’eau jusqu’à obtenir 100 % d’humidité relative (ce qu’on appelle un microscope en « mode environnemental », c’est-à-dire en présence d’une petite pression de vapeur saturante d’eau appliquée à l’intérieur de la chambre).

Dans notre expérience, nous appliquons une force de frottement cent fois de suite, en faisant glisser une bille, qui « pèse » sur le film perpendiculairement, et en balayant la bille successivement vers l’avant et vers l’arrière.

Le « Petit Prince » est-il un bon film ?

Dans l’ensemble, le film a montré une résistance à l’usure remarquable : il ne se décolle pas par exemple, ce qui est une bonne nouvelle pour les applications où la haute résistance au frottement est requise, comme les roulements.

Cependant, quelques petites particules de film se sont accumulées là où le contact entre la bille et le film a été initié. Nous étudions en détail ces petites particules pour chaque condition de test.

Quelle ne fut pas notre surprise, dans les conditions de vide poussé, de voir que les petites particules s’étaient arrangées sous la forme d’un Petit Prince – de la taille d’un micron. Pour mettre davantage en valeur le personnage, nous avons donc coloré l’image. L’effet de transparence permet de garder le contraste des particules, comme dans l’image d’origine. Pour nous, voir une telle image sortir de nos microscopes est une belle combinaison de science et d’art.

Nous travaillons tous les deux comme chercheurs doctorants au laboratoire de science des matériaux MATEIS et LAMCOS, à l’INSA de Lyon. Le Petit Prince compte beaucoup pour nous, Antoine de Saint-Exupéry étant né dans la capitale des Gaules. Nous sommes par ailleurs fiers que notre image ait reçu le prix de « la meilleure image de microscopie » lors des journées SEMPA 2022.

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La version originale de cet article a été publiée sur La Conversation, un site d'actualités à but non lucratif dédié au partage d'idées entre experts universitaires et grand public.

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Louis-Marie Lebas est membre du laboratoire MATEIS à l'INSA de Lyon. Il a reçu un financement de l'ANR pour effectuer sa thèse. Il remercie le CLYM pour l'accès aux microscopes.