Nanosciences pour tous

Forces à grandes/courtes distances

Pourquoi le gecko grimpe aux vitres et pas moi ?

Par Hubert Klein

Le gecko a, au bout de ses pattes des millions de petits poils (les setae) de quelques centaines de nanomètres de diamètre, plus fins que des cheveux humains. Ces poils assurent un contact très étroit avec les surfaces, même rugueuses.

   

Ces très faibles distances entre l'extrémité du poil et la surface de contact font que les interactions de van der Waals sont intenses, et permettent à l'animal d'adhérer à tous les matériaux, même les plus lisses.
A l'inverse nos doigts sont rugueux, et ne permettent pas un contact intime avec les surfaces sauf si elles sont elles-même rugueuses. Il est donc hors de question pour nous de gravir une vitre...
Les interactions de type van der Waals sont des forces à courte portée, dont l'effet n'est généralement pas sensible à l'échelle macroscopique, à l'inverse de la gravitation ou de la force électrostatique qui sont des forces à grande portée.

Grande distance : la gravitation et la force électrostatique

Nous sommes familiarisés avec l'action des forces à grande distance, notamment la gravitation et la force électrostatique :


Illustration 1: Illustration de l'attraction gravitationnelle mutuelle entre 2 objets

Le point commun de ces deux forces, est que leur effet se fait sentir à grandes distances.
Un scientifique dira qu'elles varient comme l'inverse du carré de la distance séparant les objets. Cela signifie concrètement que si la distance entre objets est

Courte distance : force de van der Waals

Il existe cependant des forces qui ne sont sensibles qu'à de très courtes distances, et auxquelles nous sommes moins familiarisés. Ces forces sont responsables de la cohésion des solides, de l'interaction entre molécules au sein d'un liquide par exemple.
La force de van der Waals est une force dont les effets se font sentir à des distances de l'ordre du nanomètre (un milliardième de mètre). Elle trouve son origine dans la déformation (la polarisabilité) des atomes. Un atome est constitué d'un noyau possédant une charge électrique positive, entouré d'un nuage de charges négatives, les électrons. Ce nuage électronique peut se déformer spontanément au cours du temps. Sa déformation engendre des déformations équivalentes des nuages électroniques des atomes dans son voisinage. La résultante de ces déformations est une interaction (généralement attractive) entre atomes voisins.


Petite animation you tube force de vdw http://youtu.be/G1jGeeSWhXY

Ces forces ne sont généralement pas perceptibles directement à notre échelle, mais sont cependant responsables de phénomènes connus, comme la tension de surface des liquides par exemple. Elles sont à l'origine par exemple de la formation de gouttes sur une surface, ou encore de la fragmentation d'un jet de liquide

Pourquoi le pont s'écroule-t-il et pas le film métallique ?

La photo à gauche ci-dessous est une image réalisée par microscopie électronique en transmission d'un film métallique dont l'épaisseur n'est que de 3 atomes (un nanomètre).

   

Comme un pont, ce film n'est en appui que sur les parties gris foncé de l'image. Sur la partie centrale de l'image, le film n'a pas d'appuis sur une distance supérieure à dix microns (l'épaisseur approximative d'un cheveu).
A grande échelle cela correspondrait à un pont dont le tablier ferait un mètre d'épaisseur, et dont les piles seraient distantes de dix kilomètres.
Dans le cas du pont, dont le poids est important, l'interaction gravitationnelle provoquera à coup sûr son écroulement ! Pour le film autosupporté dont le poids est négligeable, ce sont les forces de cohésion à courte distance qui l'emportent.
Des chercheurs du CINAM utilisent cette propriété pour fabriquer des films métalliques ultra-minces et autosupportés. Ces films, du fait de leur très faible épaisseur, présentent des propriétés particulières et sont utilisés dans des expériences de microscopie électronique (voir JAP vol 109), afin de mieux comprendre les propriétés de la matière à cette échelle.