Ce travail se situe en marge : ses plus proches voisins dans les archives traitent des spins quantiques dans les cristaux en couches, de la compression du caoutchouc, de la torsion des cellules, de la commutation des flux de charge et des motifs magnétiques dans les matériaux tordus. Tous touchent d'une manière ou d'une autre à la mécanique et à l'électronique des matériaux bidimensionnels, mais personne n'a mesuré directement comment le couple dépend de la surface de contact à une interface de van der Waals. Autour, on a déjà étudié l'orientation spontanée, le glissement et le frottement, mais la mécanique de la torsion restait un point aveugle. Ce travail place pour la première fois la torsion et le glissement dans un cadre expérimental unique et révèle une différence fondamentale entre eux.
Les scientifiques ont fabriqué des mésas cylindriques en graphite et en nitrure de bore hexagonal avec des leviers intégrés. À l'aide d'un microscope à force atomique, ils ont appliqué une force tangentielle au levier, tordant la méta supérieure par rapport à l'inférieure, et ont mesuré le couple résultant. Pour comparaison, les mêmes mésas ont été cisaillées latéralement en appliquant une force sur le capuchon métallique. En parallèle, ils ont effectué des simulations de dynamique moléculaire quasi statiques avec des couches flexibles et les ont comparées à des modèles rigides afin de mettre en évidence le rôle de la reconstruction élastique.
Le moment de force maximal croît linéairement avec la surface de contact pour les deux interfaces : graphite/graphite et graphite/nitrure de bore. Cela contredit la théorie classique qui prédit une dépendance quadratique. De plus, la force de frottement de glissement pour ces deux systèmes diffère de plus de trois ordres de grandeur, tandis que le moment de force ne diffère que d'un facteur vingt. Les simulations atomistiques ont montré que la reconstruction élastique du réseau déplace la zone porteuse effective vers les bords du contact, et la partie intérieure ne contribue presque pas au moment. Pour l'hétérointerface graphite/nitrure de bore, les cellules de moiré incomplètes sur les bords dominent la résistance à la torsion.
Ce travail se distingue des voisins par le fait qu'il mesure directement le couple sur les interfaces de van der Waals et le relie à la géométrie de chargement. Les études voisines concernaient les propriétés électroniques ou magnétiques des matériaux tordus, mais pas la mécanique de la torsion en tant que telle. Ici, on montre que les propriétés de translation et de torsion ne peuvent pas être prédites l'une à partir de l'autre : elles sont régies par des voies différentes de transmission des contraintes. C'est un nouveau principe pour comprendre la mécanique des matériaux en couches.
Le sujet pourrait évoluer vers l'étude de la dynamique de torsion à différentes vitesses, températures et avec des défauts. Il serait intéressant d'étudier comment le comportement dominé par les bords change pour d'autres matériaux bidimensionnels et hétérostructures. Il est possible que des modèles apparaissent qui tiennent compte non seulement de la reconstruction élastique, mais aussi des déformations plastiques ou des modifications chimiques des bords.
Les résultats sont importants pour la conception de dispositifs micro- et nanoélectromécaniques dynamiquement reconfigurables, où un contrôle précis de l'angle de torsion est requis. Ils influencent également la compréhension de la stabilité des structures de moiré et le développement de revêtements tribologiques.
La prochaine étape consiste à mesurer le couple pour une gamme plus large de tailles et de matériaux, ainsi qu'à vérifier les prédictions du modèle à différentes températures. Il serait utile de développer des méthodes expérimentales pour visualiser la distribution des contraintes en temps réel.
Ce travail relie la mécanique de torsion au problème non résolu de la prédiction du frottement et de l'usure à l'échelle nanométrique. Il montre que la géométrie de chargement modifie fondamentalement la réponse de l'interface, ce qui doit être pris en compte dans tout modèle de mécanique des contacts.
Le moment de force pour le graphite sur graphite à un rayon de 2 µm était d'environ 40 nN·m, ce qui est comparable au moment créé par une fourmi qui tourne un brin d'herbe de 1 mm de long.
Dans le roman d'Arthur C. Clarke « Les Enfants d'Icare », les extraterrestres utilisent une technologie permettant de manipuler les matériaux au niveau atomique. Ce travail sur la torsion contrôlée des couches rappelle les premiers pas vers de telles possibilités.