Les surfaces et les interfacesconstituent des frontières matérielles qui sont le siège de phénomènes complexes, multi-physiques et multi-échelles, le plus souvent dépendants du temps. Elles constituent des conditions limites des solides et des fluides, que ce soit avec le milieu environnant, ou en interaction mutuelle. Comprendre leur nature et prédire leur comportement, selon différentes échelles spatiales et temporelles, représente l’un des challenges majeurs de la Fédération IngéLySE, avec de nombreux enjeux technologiques et sociétaux : réduction des déperditions énergétiques par frottement, augmentation de la durée de vie des mécanismes, préservation de l’intégrité des surfaces par réduction d’émission particulaires, bio-compatibilité et bio-activité avec des milieux physiologiques et des organismes vivants, mouillage et écoulement de fluides jusqu’à des échelles microniques, transfert d’énergie thermique, capteurs sélectifs, protection contre la corrosion éventuellement couplée à du frottement et/ou des radiations, dispositifs optiques et photoniques, perception sensorielle…

Les neuf laboratoires d’IngéLySE impliqués dans l’Axes Surface et Interfaces développent une approche interdisciplinaire au carrefour de la mécanique, de la physique, de la chimie, de l'optique-photonique, de l’énergétique, de la biologie, du sensoriel et de la science des matériaux. Cette approche charpente d’une part la thématique «Tribologie, Corrosion, Fonctionnalisation et Durabilité des surfaces» (TCFD), d’autre part la thématique «Interfaces Fluide-Fluide, interactions Fluide-Structure» (I3FS).

Les activités de recherche s’appuient à la fois sur des expérimentations mises en œuvre selon des dispositifs très variés, souvent proches des conditions réelles d’usage, d’autre part sur des simulations numériques dont l’une des finalités est de formuler une modélisation prédictive des propriétés et du comportement des surfaces et des interfaces. Si les recherches s’appuient sur des approches traditionnelles et robustes, les chercheurs de l’Axe travaillent à y agréger des approches émergentes s’appuyant sur des concepts et des outils prometteurs, comme le bio-mimétisme ou encore l’intelligence artificielle.

Les fondamentaux scientifiquesrelèvent de la science de la matière, de la mécanique des surfaces, des interactions entre des surfaces et interfaces en contact et en mouvement dynamique, des interactions rayonnement-matière, de la réactivité et de la thermodynamique des surfaces et des interfaces, de la physico-chimie des surfaces et des interactions avec un milieu biologique solide et/ou fluide. Ces fondamentaux permettent une approche intégrée qui tient compte des contraintes mécaniques (pression de contact, déformation, glissement et roulement, écoulement), des contraintes physiques (rayonnement, température), des contraintes chimiques et biologiques (réactivité, fonctionnalisation, greffage). Toutes les familles de matériaux sont prises en considération: alliages et verres métalliques, céramiques et verres minéraux, polymères et bio-matériaux, matériaux composites.

Cette approche intégrée est particulièrement efficace pour développer des concepts et des procédés de synthèse et de fonctionnalisation, tout autant que pour pousser à ses limites la caractérisation de la nature et des propriétés des surfaces. Les phénomènes prédictifs et préventifs liés aux sollicitations des surfaces, dans des conditions de plus en plus ciblées voire extrêmes, sont toujours plus explorés, depuis l’échelle du laboratoire jusqu’à l’échelle de l’utilisateur. De nombreuses applications se trouvent ainsi sur la trajectoire des travaux de recherche: capteurs et dispositifs sensibles et sélectifs en chimie, biologie et médecine, ou encore pour la perception sensorielle et l’environnement, composants mécaniques utilisés «à sec» ou en en présence d’éco-lubrifiants, composants de turbomachines, composants optiques et photoniques basés en particulier sur les propriétés diffractantes des surfaces fonctionnalisées et texturées, composants soumis à des contraintes d’usage cumulant des paramétrages sévères en termes de contrainte, de rayonnement et d’environnement comme en corrosion, dispositifs sources d’énergie comme les piles à combustibles.

De nombreux procédés de fonctionnalisation (apport de matière, greffage chimique) et de texturation de surfaces (notamment par laser ultrabrefs) sont accessibles au sein des laboratoires d’IngéLySE, des plateformes et EQUIPEX partenaires, pour fonctionnaliser et/ou architecturer les surfaces aux différentes échelles pertinentes. L’apport de matière peut être mis en œuvre via des couches mono-moléculaires, des couches adsorbées, des couches greffées, des couches minces du nanomètre au micromètre, des revêtements multicouches, composites ou à gradient, ou encore l’intégration de matière pulvérulente.

L’ensemble des outils et procédures de caractérisation des surfaces et des interfaces, disponibles à l’échelle d’IngéLySE, permet d’atteindre une connaissance fine de la nature exacte et du comportement des surfaces et des interfaces, que ce soit dans la configuration traditionnelle post-mortem à l’issue des synthèses et des caractérisations, ou que ce soit dans une configuration in operandodont l’objectif est de sonder en temps réel la nature et/ou une propriété de surface pendant sa sollicitation. Ces données, acquises expérimentalement, sont de plus en plus quantitatives et servent désormais d'entrées à des modèles multi-physiques (mécanique, thermique, chimique, optique…) et multi-échelles (modèles FEM-DEM, FEM-MD…) de plus en plus prédictifs. Les temps de calculs de ces derniers sont de plus en plus optimisés grâce à l’implication des numériciens.