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Flûte ! Le vase est tombé et s’est cassé… Comment le réparer ? Impossible de recoller les morceaux en les pressant l’un contre l’autre ! Et cela même si les cassures semblent nettes. Pourtant, en les mettant en contact, deux fragments de mica fraîchement clivés se réassemblent aussi solidement qu’ils l’étaient avant qu’on les sépare. Et cela sans aucune colle. Et l’on peut aussi solidariser durablement des bouts d’acier ou des pièces de verre par simple contact. Dans ce dernier cas, l’adhérence peut être si forte qu’il devient impossible de séparer les pièces assemblées sans les briser. On parle alors de « contact optique ». Comment est-ce possible ? Par un polissage approprié des surfaces et en laissant agir les forces intermoléculaires à courte portée.
Commençons par les cales étalons, des blocs de métal ou de céramique qui jouent dans les ateliers de mécanique le rôle de référence de longueur pour calibrer des instruments de mesure ou effectuer des réglages fins. Elles se présentent comme des parallélépipèdes rectangles dont une des dimensions – la distance entre deux faces opposées dites « mesurantes » – est définie, en fonction de sa classe de précision, avec des incertitudes allant de quelques dixièmes de millimètre (mm) jusqu’à seulement quelques dizaines de nanomètres (nm).
En pratique, on achète un jeu de plusieurs dizaines de cales avec lesquelles on peut obtenir une grande variété d’épaisseur ou de longueurs avec un incrément aussi fin que 1 micromètre. Pour obtenir une taille qui n’est pas déjà fournie, on accole ces cales. Le résultat est une pièce unique de la longueur voulue avec une excellente précision. Ce procédé, nommé wringing, se fait manuellement et est réversible : on peut désassembler les cales. Il n’en demeure pas moins qu’on arrive à faire adhérer deux blocs de métal en les faisant juste glisser l’un sur l’autre et en les pressant.
Des cales étalon.
© XINFULICe comportement exceptionnel trouve son origine principale dans la force de Van der Waals. Cette force attractive d’origine quantique s’exerce entre tous les atomes et les molécules, même neutres, et est due à l’interaction électrostatique résiduelle entre les charges qui les constituent. Peu intense et de courte portée, c’est elle qui assure la cohésion de la matière qui nous environne. Quel est son rôle ici ?
On peut estimer par le calcul la force par unité de surface qui résulte de ces interactions, entre deux plaques parfaitement planes en vis-à-vis et séparées par une distance nanométrique. Elle est proportionnelle à l’inverse du cube de cette distance avec un coefficient de proportionnalité caractéristique des matériaux des plaques et de l’air ou du liquide qui les sépare. Pour les cales étalons et une configuration acier/air/acier, cette constante est de l’ordre de 1,3 × 10 – 20 Joules. Pour une séparation de 10 nm, la force d’attraction vaut 1,3 newton par centimètre carré (N/cm2), de quoi supporter une masse de 130 grammes (g). C’est assez pour maintenir les 250 g d’une cale étalon typique (3,5 cm × 0,9 cm × 10 cm) avec sa surface de contact de 3 cm2. En revanche, du fait de sa décroissance extrêmement rapide, la force n’est plus que de 0,00000025 N/cm2 pour une séparation de 1 mm : elle ne supporte plus grand-chose !
Les molécules… presque au contact
Comment alors approcher deux surfaces à une distance d’une fraction de millimètre ? Lorsque ces surfaces sont parfaitement planes, c’est facile. C’est ce qui arrive avec le mica. Ce minéral est constitué de feuillets, maintenus ensemble par des ions et les forces de Van der Waals, mais qui demeurent facile à séparer. Lorsqu’on clive un morceau de ce minéral, on obtient des surfaces atomiquement planes sur des zones très larges de sorte que si on remet au contact les deux surfaces fraîchement séparées, elles se recollent et la force nécessaire pour les séparer à nouveau est quasi identique à celle qui a été déployée pour le clivage initial.
Mais comment faire avec les autres matériaux ? Le cas le moins difficile, et le premier à avoir été mis en œuvre, est avec le verre. Un peu de préparation est nécessaire, car même si les vitres ou les miroirs semblent parfaitement plats et lisses, leur surface peut être très légèrement courbe et, à l’échelle microscopique, elle est assez rugueuse : elle présente des aspérités avec des vallées et des pics. Ces derniers sont les premiers en contact lorsqu’on approche deux plaques de verre, tandis que le reste des surfaces restent distantes. Même si la force de Van der Waals est intense dans les zones de contact, leur surface représentant une infime proportion de la totalité ne permet pas l’adhérence. C’est encore pire si les deux surfaces n’ont pas la même courbure. Il faut les millions de soies souples à l’extrémité des pattes du gecko ou la malléabilité du caoutchouc de silicone des « grimpeurs collants » pour épouser les formes des surfaces rugueuses et augmenter l’aire de contact afin d’autoriser l’attachement.
Pour y remédier, il faut un contrôle de la planéité et un polissage de très grande qualité, comme celui que la fabrication des instruments optiques de précision requiert. Par exemple pour des miroirs destinés à observer le soleil dans l’ultraviolet, à une longueur d’onde de 17 nm, une surface sphérique avec une rugosité de l’ordre de 1 nm est requise. Après un découpage à la scie et un ébauchage avec un outil tournant qui confère la forme générale à la pièce, mais laisse des défauts et des fissures qui s’enfoncent dans le matériau, on passe au doucissage avec des abrasifs libres (des petits grains en suspension dans un liquide) de plus en plus fins qui enlèvent de moins en moins de matière jusqu’à ce que le verre devienne translucide.
Vient ensuite le polissage proprement dit, sur un support de poix avec un abrasif très fin comme l’oxyde de cérium. Les experts du laboratoire Jacques-Fabry parviennent ainsi à une régularité de surface (par exemple son caractère plan) de quelques nanomètres avec une rugosité bien inférieure au nanomètre. Dans ces conditions, on est très proche du contact optique, c’est-à-dire de coller deux morceaux de verre grâce à l’adhérence moléculaire, à condition d’avoir bien nettoyé les surfaces pour les débarrasser de tous les contaminants.
Cela peut être très intéressant pour produire des composants un peu complexes ou performants, par exemple sur le Very Large Telescope, car l’absence de colle fait qu’il n’y aura pas de réflexions parasites, d’absorption d’énergie en cas d’usage d’un laser de forte puissance (avec la dilatation thermique qui va de pair), de vieillissement…
Et c’est aussi l’optique qui aide à vérifier simplement la planéité d’une surface polie. Comme Newton l’avait découvert (après Robert Hooke) quand il préparait les miroirs de ses télescopes, il suffit d’utiliser les interférences.
Quand on place une surface polie sous une autre de référence, plane et transparente, il reste toujours un film d’air très mince entre les deux tant qu’on ne les presse pas l’une contre l’autre. On obtient alors un « coin d’air ». En éclairant l’assemblage avec une lumière monochromatique, on obtient des franges d’interférences, visibles à l’œil nu, dont l’allure révèle la forme de la surface. Franges parallèles et équidistantes ? La surface est bien plane. Franges courbes ou non équidistantes ? La surface présente une courbure et l’on sait dans quelle direction ! Une tache noire accompagnée d’anneaux ? Bravo, vous avez obtenu des anneaux de Newton et êtes proche de l’adhérence moléculaire au moins localement.
User sans abuser
Qu’en est-il de l’acier ? Sans préparation, sa surface est aussi rugueuse, comme pour la plupart des matériaux. Elle diffuse la lumière incidente, ce qui signifie qu’elle n’est pas plane à l’échelle des longueurs d’onde du visible, typiquement 0,5 mm. La solution est de procéder à un usinage de précision. Pour passer d’un bloc d’acier à une cale étalon, on commence par la rectification pour obtenir les dimensions voulues à l’aide d’une meule abrasive rotative qui enlève plusieurs dizaines de millimètres de matière par passage à l’ébauche jusqu’à quelques millimètres pour la finition.
Pour diminuer la rugosité de surface qui reste trop élevée, vient alors l’étape du rodage : cela consiste à frotter le bloc contre un plateau de référence en utilisant une pâte abrasive contenant des microdiamants (synthétiques !) ou des grains de carbure de silicium, des matériaux extrêmement durs. Le bloc est pressé contre la plaque et suit des trajectoires complexes pour garantir une usure uniforme. Les grains étant libres, ils roulent et glissent entre le bloc et le plateau et enlèvent peu à peu les aspérités les plus saillantes jusqu’à obtenir la planéité et la rugosité voulue.
Dans le cas des cales étalons, deux subtilités s’ajoutent. D’abord, pour que la cale ait la bonne longueur entre les deux faces mesurantes, les faces doivent être bien parallèles et avoir la même rugosité. Aussi, au lieu de roder une face, puis l’autre, on traite les deux simultanément en plaçant le bloc entre deux plateaux de référence maintenus parfaitement parallèles. Si un côté de la cale est de biais, il subira une action plus forte de la part du plateau avec lequel il est en contact, là où il touche, et sera usé plus vite jusqu’à ce que les deux faces soient parfaitement parallèles aux plateaux eux-mêmes.
Par ailleurs, en pratique, on huile les cales étalons. Cela les protège contre la corrosion. Ce liquide remplace au moins partiellement l’air dans l’espace entre les cales, ce qui réduit l’attraction de Van der Waals entre les cales, mais ajoute une force capillaire. On s’assure enfin que l’épaisseur de ce film huileux qui participe à l’adhérence entre cales (de l’ordre de 6 nanomètres) rentre dans la définition de la longueur de la cale. À la fin, dans la classe la plus précise, on obtient des cales de longueur définie à 50 nm près et avec une rugosité inférieure à 10 nm. Cela permet de les assembler, mais pas trop fort, de sorte qu’on puisse les séparer aisément.
