Une serrure avec deux clés différentes : l'une tourne facilement, l'autre demande un effort notable. C'est ce que l'on observe avec deux couches de nitrure de bore hexagonal lorsqu'on les fait pivoter l'une par rapport à l'autre. Ce matériau est constitué d'atomes de bore et d'azote disposés en un réseau hexagonal, et ses couches peuvent adopter différentes positions, comme deux grilles identiques décalées d'un certain angle. Les scientifiques ont découvert qu'il existe deux positions stables et que la transition entre elles est contrôlée par une simple rotation.
L'expérience évoquait le travail d'un joaillier : de minuscules piliers de nitrure de bore, d'environ 250 nanomètres de haut et de 200 à 500 nanomètres de rayon, étaient empilés les uns sur les autres, et la couche supérieure était tournée à l'aide d'une pointe de microscope à force atomique. Cette pointe sonde la surface comme un doigt, mais elle est des milliards de fois plus sensible. Tout se passait sous atmosphère d'azote pur, afin que l'eau et l'oxygène ne perturbent pas les mesures. L'instrument enregistrait la force nécessaire pour tourner à chaque degré.
Les simulations numériques ont montré pourquoi. Un état, appelé AA′, se réorganise progressivement, comme de la pâte à modeler qui s'écoule lentement des bords vers le centre. L'autre, AB, cède brusquement, comme une fine croûte de glace qui se brise d'un coup. De plus, la force augmente proportionnellement à la surface de contact, et non à son volume, ce qui contredit les attentes pour des corps rigides. Cela signifie que les bords jouent un rôle clé, car ils sont particulièrement sensibles au cisaillement.
Ce résultat ouvre la voie à la création de commutateurs mécaniques de polarisation dans les dispositifs nanoélectromécaniques. En faisant tourner les couches, on peut contrôler les propriétés électriques du matériau, comme on allume la lumière en tournant une clé. Aucune application domestique n'est en vue pour l'instant, mais en laboratoire, cette approche permettra de contrôler précisément le frottement à l'échelle atomique et de construire des systèmes reconfigurables. La serrure faite de deux couches atomiques claque déjà ; il reste à lui trouver une porte.
Le couple nécessaire pour faire tourner un disque de rayon 500 nm n'est que d'environ 10⁻¹⁸ N·m, ce qui est comparable au moment de force créé par le poids d'une bactérie sur un bras d'un micromètre.