Moments dipolaires et métaux

[invite0c714a84]

Bonjour à tous,

je suis à la recherche du phénomène d'attraction d'un fil de tungstène par toutes sortes de matériaux. Magnétisme ou forces d'attraction électroniques sont les pistes que j'explore.

Mon fil de tungstène est très fin et recouvert par déposition électrochimique d'une pellicule Au-Ag. Des morceaux de ce fil sont manipulés par un outil en carbure de tungstène (WC-Co10%). Les morceaux de ce fil sont attirés, non seulement par l'outil, la source de mon problème, mais aussi par du fer, de l'inox, du PVC et même du verre.

Je déduis de ces essais que le probléme n'est pas magnétique puisque seul le cobalt est ferromagnétique et susceptible de conserver un champ magnétique. Or le phénomène d'attraction se produit sur le fil Para- et diamagnétique (W-Au-Ag) avec d'autres matériaux dia- et paramagnétiques (fer, verre (Si)...). De même, le fil n'est pas attiré ni ne suit un aiment au travers d'une feuille de papier (sans feuille de papier, le fil adhère à la surface de l'aimant).
Restent alors tous les phénomènes électroniques dont le plus probable serait l'apparition d'un moment dipolaire dû au nuage électronique du tungstène.

Suites à ces propos, je souhaiterais vous soumettre 2 questions:
-les propriétés des couches probablement (très) minces d'or et d'argent sur mon fil pourraient-elle comporter des propriétés qui engendrerait ce phénomène d'attirance avec d'autres corps?
-s'il est acceptable de considérer que le phénomène n'est pas magnétique, est-il raisonable d'envisager un moment dipolaire pour expliquer le phénomène ou quels sont les types d'interaction électroniques capaples de produire une attraction de ce fil avec les autres corps?

Je vous remercie par avance pour votre expertise!
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[invite6dffde4c]

Bonjour.
Pouvez-vous donner un peu plus de détails ?
Est-ce que cela se passe dans l’air, dans le vide ?
Est-ce de la force à distance ou simplement le morceau de fil reste collé ?
Est-ce qu’un aimant attire le fil ?
Quel est le diamètre du fil ?
Au revoir.

[invite0c714a84]

Bonjour,

merci pour votre intérêt à ma question.
Beaucoup plus de détails ne seront peut-être pas très utile pour une première approche et risquent de rendre le sujet encore plus rébarbatif à cause du temps de lecture.
Vous avez malgré tout raison, je dois préciser que le phénomène se produit dans l'air ambiant, à température ambiante. Le phénomène ne se produit pas à "grandes" distances: une feuille de papier inhibe toute interaction. Mais un bref contact avec un corps venant d'en haut (même poli et propre) attire immanquablement le fil qui a un poids très négligeable d'une huitaine de micro-gramme (8μg) du fait de son faible diamètre (~10μm) pour une longueur de ~5mm.

Que pourrait-on conclure, selon vous, s'il était constaté que le phénomène ne se produisait pas sous vide?

A Bientôt.

[invite8ecedd5b]

Bonjour,

Nous avons un problème qui ressemble un peu au votre :
Nous avons des balanciers silicium (ressort spiral) dont le moment est modifié par une/des "force mystérieuse" (mystérieuse car on ne sait pas de quoi il s'agit).
Du coup nos montres ont des problèmes de marche ...
On a pas mal cherché les causes de ce problème, sans jamais les avoir trouver.

On a remarqué qu' en ionisant le mouvement, ce problème disparaissait...
Est ce l'électricité statique? on a jamais réussit à le prouver clairement.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Comme le tungstène est conducteur, on peut exclure l’électrostatique.
Il est paramagnétique, mais pas assez pour soulever sont poids.

Il reste les forces de Van der Waals, qui sont une excuse commode pour casser ce qu’on ne peut pas expliquer autrement.

Il reste aussi la couche de « saleté » qui recouvre toutes les surfaces exposées à l’air ne serais-ce que quelques microsecondes. C’est une couche de quelques atomes d’épaisseur formée probablement par des hydrocarbures.
Le seul moyen de ne pas l’avoir est de nettoyer les surfaces sous vide (UHV) ou, si on peu, de chauffer la surface sous vide à plus de 1000°C.

Mais tout cela ressemble plutôt à « botter en touche ».

Est-ce que vous pouvez répéter la manip avec des fils sans le dépôt Ag-Au ?

Une dernière idée vaseuse. Quand vous mettez deux métaux en contact des électrons passe de l’un à l’autre à cause du « potentiel de contact » (Work function). Cette différence de potentiel est très faible : quelques dixièmes de volt. Mais à la distance de quelques couches atomique de saleté (où sans couche de saleté) cela fait un très grand champ électrique qui donnerait des forces largement capables d’expliquer le phénomène.
Le seul moyen que je vois pour tester l’explication est d’utiliser une surface avec le même dépôt que les fils de tungstène et voir si le phénomène se produit encore.

Après coup, cette dernière hypothèse me plait bien.

Au revoir.

[invite6dffde4c]

Bonjour,

Nous avons un problème qui ressemble un peu au votre :
Nous avons des balanciers silicium (ressort spiral) dont le moment est modifié par une/des "force mystérieuse" (mystérieuse car on ne sait pas de quoi il s'agit).
Du coup nos montres ont des problèmes de marche ...
On a pas mal cherché les causes de ce problème, sans jamais les avoir trouver.

On a remarqué qu' en ionisant le mouvement, ce problème disparaissait...
Est ce l'électricité statique? on a jamais réussit à le prouver clairement.

Re.
Oui. Dans votre cas il n’y a pas d’ambiguïté. Si ioniser l’air supprime le problème ce sont bien des charges électrostatiques en surface qui en sont responsables. Les ions sont attirés par les charges de surface et les compensent.
A+

[invite0c714a84]

Bonjour,

il est également de mon avis d'exclure l'électrostatisme de mon cas du fait de la conductivité des matériaux. Le cas des ressorts de montres au silicium (à l'oxyde de silicium même me semble-t-il?) pourrait être davantage enclin à l'électrostatisme, d'autant que le phénoméne pourrait s'amplifier du fait des mouvements.

Van der Waals s'est aussi invité dans ma réflection et je souhaite encore tester l'attirance de mon fil sur des matériaux non polis (pour réduire la surface de contact) et sur des matériaux apolaires tels que le téflon.

Votre idée de la création d'un potentiel électrique au contact des différents matériau est trés intéressante. Elle reviendrai à autoproduire un champ électrique qui nous renvoie directement dans un cas d'électrostatisme. Je vais creuser la question mais je dois dire que cela ne me semble pas trivial. J'espère également que les matériaux en fines couche n'ont pas de propriétés spéciales qui compliquent les choses....

merci pour vos réponses.
A bientôt.

[invite6dffde4c]

Re.
Oui, les matériaux en fines couches ont des propriétés différentes. Mais ça dépend de ce que l’on appelle « fines ». Je crois savoir qu’à partir de quelques dizaines d’atomes d’épaisseur, les couches métalliques pressentent les mêmes propriétés que les couches épaisses. Et avec un dépôt électrochimique il me semble difficile de descendre aussi bas.

Pour ce qui est du Téflon, je pense que, côté électrostatique, il n’est pas meilleur que le PVC.
A+

[invite6dffde4c]

Re.
J’ai fait un petit calcul à la louche.
Prenons une surface S entre deux métaux dont le potentiel de contact est V.
Le champ électrique entre des deux surface est E = V/L= σ/ε_o où σ est la densité de charge de surface et ε_o la permittivité du milieu (8,86 E-12 pour le vide) et L la séparation entre els surfaces.
La force par unité de surface est σE soit :



Avec un potentiel de contact de 0,1 V et une distance de 0,1 µm on obtient une force de 8,86 N/m², qui est suffisante pour soulever une feuille d’aluminium de 0,2 mm d’épaisseur (si je ne suis pas planté dans les calculs).

Cela montre que mon hypothèse peut expliquer votre manip.
A+

[invite0c714a84]

Merci pour le calcul, vous êtes parti de la loi de Gauss?
Je vais regarder en détail par ce que je ne comprend pas l'expression de la force par unité de surface comme vous la présentez. Cela devrait pouvoir attendre lundi...

Dans le même temps j'ai observé que les fils collent sur le téflon, ce qui me fait déduire que le phénomène n'est pas du aux force de van der Waals puisque le téflon est très apolaire.

J'ai cependant émis une autre hypothèse concernant le nettoyage de mes surfaces à l'acétone sans rincage à l'éthanol: Quels effets pourraient avoir des résidus d'acétone sur la polarité d'un matériaux? J'ai dans la tête que l'acétone qui s'évapore laisse un film qui a des propriétés (di)polaires du fait de CH3. Y-aurait-il quelquechose à savoir là dessus?
Je vais en tous cas renouveler mes essais après rincage à l'éthanol.

Bon week-end et merci pour votre aide précieuse.

[invite6dffde4c]

Re.
Oui, si vous voulez. La formule du champ à la surface d’un métal en fonction de la charge de surface peut se déduire avec le théorème de Gauss.

Le seul dépôt qu’un liquide volatile laisse à la surface est celui dû aux impuretés non volatiles.
Je suppose que vous avez de l’acétone de laboratoire et non de l’acétone technique que l’on achète dans les supermarchés.

En exagérant un peu, on peut dire que la seule chose qui adhère grâce aux forces de Van der Waals ce sont les geckos.
A+

[invite0c714a84]

Bonjour,

j'ai mis beaucoup de temps à me décider à vérifier votre expression, et j'ai eu besoin de beaucoup de temps pour y parvenir mais je suis d'accord avec votre approche électrostatique de la question. En faire l'application numérique ne me semble par contre pas si simple que vous le décrivez:

-la première difficulté est d'évaluer la distance entre les surfaces: on se situe loin du rayon de valence, vous prenez 100pm, c'est plausible mais qu'est ce qui le définit? Ce gap a une certaine prépondéreance sur le résultat final.

-la seconde concerne l'évaluation du potentiel entre les composants: je n'ai trouvé que des valeurs d'énergie de surface et non de potentiel de contact. J'aurais alors besoin de définir une charge électrique, mais elle devrait-être nulle puisque je suis en présence de métaux auquel je n'applique pas de potentiel extérieur.

J'ai malgré tout utilisé vos valeurs pour une première application numérique mais le résultat me donne une force dix fois trop faible pour porter mon fil sur le diamètre de celui-ci, ce qui se produit aussi. Sur la tranche, même en considérant la variation de distance fil/surface due à la forme cylindrique du fil, ca passe.

J'ai observé mon fil attiré par un morceau de métal et par un morceau de verre au microscope optique et MEB/XPS. Je n'ai vu aucune impureté (L'acétone employée pour le nettoyage est de l'acétone ultrapure) et le XPS ne me donne pas non plus de présence de carbone (=pas de matières organiques qui collent...) ni d'autres éléments inattendus. Le fil se colle partout comme un poil de gecko!
Le bombardement électronique dans le MEB n'expulse pas non plus ce petit bout de fil!

Auriez-vous encore une ou deux idées ou informations sur le sujet?
Je vous remercie en tous cas vivement pour le partage de vos compétences sur ce fil...

[invite6dffde4c]

Bonjour.
La distance de 0,1 µm entre les surfaces correspond à des surfaces optiquement planes, puisque j’ai choisi une distance inférieure à la longueur d’onde de la lumière.
Elle est peut-être petite à votre situation, où les surfaces sont « réelles » et peut-être qu’une distance 10 fois plus grande serait plus proche de la réalité. Mais le calcul servait uniquement à voir quel était l’ordre de grandeur des forces.
Si vous avez regardé le fil et la surface au microscope, vous pouvez avoir une idée de la vraie distance.

Vous pouvez me faire confiance pour le potentiel de contact, une partie de ma thèse d’État portait sur ce sujet. Ce qui explique pourquoi j’ai pensé à cette explication.
Ce qu'il faut chercher est « work function ».

Le calcul proposé n’est valide qu’entre deux métaux. Avec un isolant il y a aussi des forces mais le calcul est très différent. Le tout en supposant qu’il n’y a pas de charges de surface sur l’isolant car elles sont imprévisibles.

Et j’ai fait le calcul avec deux surfaces planes, car il est immédiat. Avec un cylindre c’est beaucoup plus dur. Et il est plus difficile de tenir un cylindre qu’une surface plane car seule une partie du cylindre est proche de l’autre surface.
Au revoir.

[invite0c714a84]

Bonjour,

merci beaucoup pour vos précisions. Dans mon application, le fil ne se situe pas forcément à une distance observable au microscope, donc effectivement plus faible que la longueur d'onde du visible. Je rencontre aussi le phénomène aussi bien sur des surfaces polies que rugeuses. J'adhère à votre théorie mais je ne suis pas convaincu par l'approche électrostatique de la question, qui nécessite la connaissance de la distance de séparation et du potentiel de contact. Y aurait-il une approche énergétique possible?

à propos de ce phénomène de "work function", j'ai lu de nombreuses choses et je me permets de soumettre 2 questions pour vous assurer que je n'ai pas encore tout compris...:
- le phénomène apparaît dès lors que 2 métaux sont en contact, ils échangent des électrons du fait de leur différence de potentiel intrinsèques: Ils se retrouvent localement avec des charges opposées et s'attirent. D'ou vient alors la distance de séparation? Et comment se fait-il que j'obtienne aussi l'adhésion d'un fil de tungstène sur un bloc de tungstène? Effets de surfaces, d'orientation de cristaux?

-Sur mes images au MEB, j'ai observé mon fil en contact sur deux points sur une surface métallique incurvée presque verticale, malgré le bombardement d'électron du MEB. A quoi correspond le travail à fournir pour séparer les deux corps? À l'énergie nécessaire à arracher le nombre d'électrons échangés? pourquoi le fait de bombarder d'électron ne neutralise pas les charges et n'entraine pas la chute du fil?

J'avoue que plus je creuse et plus je m'enfonce...

Une petite question encore pour la route. Si je souhaite inhiber ce phénomène, et c'est mon but premier, comment puis-je procéder? Est-ce que l'ajout de molécules avec assez d'électron (polaires?) pourrait écranter le phénomène de "work function". Quels autres pistes pourrait-on exploiter?

Je vous remercie encore pour votre temps et votre aide.
A bientôt.

[invite6dffde4c]

Bonjour.
La distance de séparation est déterminée par les obstacles qui bloquent le rapprochement. Si les surfaces étaient atomiquement propres, ce serait le contact atome contre atome (ou orbital contre orbital et principe de Pauli). Donc, zéro ou un peu moins (par « l’écrasement des orbitales ».
Mais les surfaces ne sont pas atomiquement planes et le contact se fait en quelques poins uniquement.
De plus, comme les surfaces ne sont pas atomiquement propres, le contact se fait entre les atomes des couches de saleté qui recouvrent les surfaces. Et l’épaisseur de ces couches est imprévisible et il dépend de l’âge du capitaine.

Si les surfaces étaient identiques même métal et même surface (en comptant al couche de saleté), alors si y a adhérence elle n’est sûrement pas due à l’effet de potentiel de contact, mais à des forces de Van de Waals.
Mais ça, vous ne pouvez pas le savoir. Car la couche de saleté, reste quand on fait le vide. Le seul moyen de s’en débarrasser est de chauffer les surfaces (assez haut) ou les bombarder avec des ions (d’argon, par exemple). Puis de garder les surfaces sous vide. À 10^-4 Pa, la surface reste propre pendant environ 1 seconde. Pour qu’elles restent propres pendant 20 minutes il faut que la pression soit inférieure 10^-7 Pa.

Le potentiel de contact dépend de la couche de surface. On peut abaisser ce potentiel en recouvrant la surface d’une couche (même atomique) d’une substance adéquate, comme l’oxyde de thorium ou des oxydes alcalino-terreux. C’est ce que l’on faisait dans les filaments ou les cathodes des tubes thermoïoniques.
Et le potentiel de contact dépend aussi de l’orientation cristalline de la surface. Ce n’est important qui pour des monocristaux.

Le travail pour séparer le deux corps correspond au travail fait par les charges contre la force de Coulomb. Il dépend, entre autres choses, de la distance de séparation d’origine

Le fait de bombarder les deux corps avec des électrons (sauf si ils les chauffent) ne change rien, les deux corps sont au même potentiel car ils sont en contact électrique. L’accumulation des charges en surface est due à la différence de potentiel chimique (ou du niveau de Fermi) des corps. Mais cette différence n’est pas mesurable avec un voltmètre à cause du potentiel de contact entre les pointes de touche, qui les compense. Ce potentiel n’est « visible » que par des électrons. Par contre, si vous éloignez une des surfaces en la maintenant isolée, sa tension augmente énormément par la diminution de capacité avec la charge constante. C’est de cette façon que lord Kelvin fit les premières mesures du potentiel de contact entre métaux.

Vous ne pouvez pas compenser les charges, comme ce serait possible si c’était des isolants.

Je ne vois pas comme inhiber le phénomène. Il faudrait deux surface identiques : même métal et même histoire des surfaces pour espérer que la couche de saleté soit la même.
Et là, il ne vous resterait que les forces de Van der Waals (et l’âge du capitaine).

Vous pourriez « passiver » les surfaces avec une couche « connue pour être passive ». Comme l’oxyde d’étain dont la légende prétend qu’elle est passive. C’est un mythe dont les origines remontent à des manips d’électrochimie et que tout le monde gobe sans se poser des questions.
Au revoir

[invite0c714a84]

Bonjour,

Merci pour vos réponses très claires.
Grace à vous je suis devenu un spécialiste du "work function"...

Maintenant, je vais lancer les essais de dépot de couches pour voir si il y a une solution de ce côté. je ne manquerai pas de vous tenir informé.

Bon week end á vous!

À bientôt

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Il y a, peut-être, une possibilité de décoller les fils.
Il faut mettre l’objet qui les attire à un potentiel par rapport à l’entourage.
Je ne sais pas si c’est possible dans votre cas (si l’objet qui les attire est isolé du reste) et, pire, je ne sais pas comment calculer la tension qu’il faudrait appliquer pour qu’il repousse les fils.
Au revoir.

[invite0c714a84]

Bonjour,

toujours dans l'optique (et l'espoir) d'inhiber le phénomène de work-function pour mon application, je me suis dirigé vers le dépôt de couches sur mon mon outil. D'abord en envisageant des couches d'oxyde d'alcalino-terreux, comme suggéré, mais il s'agit là de couches peu répandues.
Pour me recadrer dans un contexte plus abordable (non seulement financièrement mais aussi techniquement mieux connu), j'ai observé des catalogues de fournisseurs. Parmi ce qui est courramment proposé et qui passerait très bien sur mon alliage WC-Co, serait un nitrure de chrome, ou de titane..

Les structures de ce type de couches sont à mon avis interessantes du fait de la combinaison de couches atomique métalliques/non-métalliques d'où résulte une surface polaire (?) ce qui est ce dont on a besoin pour inhiber le "work function" (?)

Que pensez-vous globalement des effets possibles de telles couches (prenons un CrN ou un TiAlN)? Est-ce une direction possible?

J'avais aussi pensé à la possibilité d'une "polarisation" du métal en appliquant un potentiel sur mon outil. D'abord avec un générateur de fonction, sur plusieurs férquences et amplitudes, et ensuite à l'aide d'électrodes (1100V) d'un appareil utilisé pour charger satiquement des surfaces, et ce au point d'bserver la formation d'un arc sur mon bout de fil... qui colle... Le problème est que je ne peux pas "contacter" mon petit bout de fil.

A Bientôt.

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Vous ne pouvez pas inhiber le potentiel de sortie (work function) Vous ne pouvez même pas le rendre nul.
Vous pouvez l’abaisser de plusieurs façons. (Pour les oxydes alcalino-terreux, il faut qu’ils soient faits sur place et sous vide. Un passage à l’air et ils sont fichus. On met une couche de carbonate, tenu par du collodion. Quand on chauffe, le collodion et le CO2 se taillent et il ne reste que l’oxyde.).

Le mieux que vous pouvez faire est que l’outil soit recouvert de la même couche que le fil. Mais comme toujours, il faudrait que l’histoire des deux surfaces soit aussi identique pour espérer que la couche de saleté soit identique. Et il ne restera alors que Van de Waals, contre lequel vous n’y pouvez rien.
Au revoir.

[invite0c714a84]

Bonjour,

pendant mon mutisme, j'ai effectué un certain nombre de tests sur mon outils dans l'espoir de trouver une solution pour empêcher mon morceau de fil de coller sur la surface de mon outil.

Je n'étais d'abord pas d'accord avec votre affirmation LPFR :Vous ne pouvez pas inhiber le potentiel de sortie
En la relisant, je dois dire que c'est exact, mais ce qui m'intéresse primairement c'est d'éviter le phénomène d'attraction, qui lui ne dépend que de la quantité d'électrons échangée.

Or cette quantité d'électron dépend directement de la différence de potentiel pour les matériaux conducteurs. Si un des deux composant en contact n'est pas conducteur (et si la différence de potentiel n'est pas suffisamment grande pour atteindre les bandes de conduction, alors l'échange d'électrons n'aura pas lieu et il n'y aura pas d'attraction.
Est-ce exact?

C'est en tous cas la conclusion que j'ai tiré de l'ensemble de mes essais qui ont été concluant après le dépot d'une couche isolante (Al2O3) sur mon carbure de tungstene. J'ai d'abord déposé des couches semi-conductrices (nitrures de titane et de chrome entre autres) qui n'ont pas été satisfaisantes, même après des tentatives d'oxydation.

Merci pour votre aide et au plaisir de vous lire.

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Je suis heureux que vous ayez trouvé une solution à votre problème.
Mais, pour être sincère, je n’aurais pas parié un kopeck sur l’alumine.

Pour l’électrisation on n’a pas besoin d’électrons de conduction. Les isolants s’électrisent très bien et c’est comme ça que l’électricité a commencé : avec de l’ambre (élektron, en grec). Quand vous frottez deux isolants ils se chargent très bien.
La raison est que le nombre d’électrons pour créer une charge en surface est ridiculement petit comparé aux électrons du volume.
Au revoir.