Sous la surface des pneus, l’usure s’écrit à l’échelle moléculaire

L’usure des pneus coûte cher et libère chaque année plusieurs millions de tonnes de particules à l’échelle mondiale. Pourtant, les mécanismes qui gouvernent cette érosion restent encore mal compris. S’il est clair que le frottement entre deux surfaces peut entrainer une perte de matière, les événements microscopiques qui conduisent à cette usure demeurent difficiles à observer, en particulier dans les matériaux souples comme les caoutchoucs. Les pneus sont en effet composés en majeure partie de macromolécules ou chaînes de polymère élastiques reliées entre elle de manière covalente. Dans la « gomme » industrielle qui sert à fabriquer le pneu, ce caoutchouc est chargé en noir de carbone pour augmenter la rigidité et la résistance à l’usure, en silice pour augmenter l’adhérence par temps de pluie, ainsi que divers agents de formulation (antioxydants, anti-UV et ozone, plastifiant etc.). Pour mieux comprendre l’usure de ces matériaux, une équipe française associant des scientifiques du laboratoire Sciences et ingénierie de la matière molle (CNRS/ESPCI PARIS–PSL/SORBONNE UNIVERSITE) et de la Manufacture française des pneumatiques Michelin a développé une méthode originale qui permet de visualiser les dommages moléculaires qui apparaissent au cœur même du matériau pendant le frottement.

L’équipe a pour cela conçu dans un premier temps des élastomères modèles (polymères caoutchoutiques) contenant des molécules qui jouent le rôle de « témoins » de rupture. Lorsqu’une chaîne polymère se casse sous l’effet d’une contrainte mécanique, ces molécules deviennent fluorescentes. Grâce à cette astuce chimique, les scientifiques ont pu cartographier en trois dimensions les zones du matériau endommagées par des cycles répétés de frottement. Ils montrent ainsi que les dommages ne restent pas confinés à la surface : ils s’étendent sur plusieurs micromètres en profondeur. Fait remarquable, aucune microfissure précurseur n’a été observée. Le matériau accumule plutôt une multitude de dommages diffus sous la surface, comme une étoffe qui se fragilise fil après fil avant de s’effilocher

L’étude révèle également que ces dommages apparaissent de façon très localisée lors de microglissements qui se produisent au niveau des aspérités du contact. Chaque événement est minuscule, mais leur répétition finit par fragiliser le matériau. Les scientifiques montrent que cette accumulation suit une progression lente et non linéaire, qu’ils interprètent comme un processus probabiliste : les chaînes polymères les plus tendues cassent d’abord, puis les suivantes nécessitent davantage de sollicitations pour rompre. Lorsque le niveau de dégradation généré par le frottement devient suffisant, la couche superficielle du matériau perd sa cohésion et se transforme en un film visqueux, qui est progressivement éjecté du contact.

Enfin, l’équipe a comparé plusieurs architectures moléculaires d’élastomères. Contre toute attente, le matériau le plus résistant à la propagation des fissures n’est pas le plus résistant à l’usure. Certaines architectures dissipent efficacement l’énergie lors d’une fracture brutale, mais se révèlent plus sensibles aux sollicitations répétées du frottement. Ces résultats, publiés dans Science Advances, mettent en évidence un compromis inédit entre résistance à la rupture et résistance à l’usure des élastomères. En révélant le rôle central des dommages moléculaires invisibles, ces travaux ouvrent la voie à une conception plus rationnelle des caoutchoucs de demain, avec l’objectif de réduire l’usure des pneus et les émissions de particules qui en résultent.
 

Rédacteur : Anne-Valérie Foillard-Ruzette