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    Appareils haute température fabriqués à partir de films qui se plient en respirant

    « La chose la plus intéressante à propos de ces matériaux est qu'ils fonctionnent à des températures supérieures à 500 degrés Celsius, ", déclare Jessica Swallow, étudiante diplômée du MIT, illustré avec l'équipement utilisé pour tester les nouveaux matériaux.

    La réalisation de tâches de maintenance à l'intérieur d'une centrale nucléaire sollicite fortement les équipements, en raison des températures extrêmes qui sont difficiles à supporter pour les composants sans se dégrader. Maintenant, des chercheurs du MIT et d'ailleurs ont trouvé une façon radicalement nouvelle de fabriquer des actionneurs qui pourraient être utilisés dans des environnements extrêmement chauds.

    Le système repose sur des matériaux d'oxyde similaires à ceux utilisés dans de nombreuses batteries rechargeables d'aujourd'hui, en ce que les ions entrent et sortent du matériau pendant les cycles de charge et de décharge. Que les ions soient des ions lithium, dans le cas des batteries lithium-ion, ou des ions oxygène, dans le cas des matériaux oxydes, leur mouvement réversible provoque l'expansion et la contraction du matériau.

    Une telle expansion et contraction peut être un problème majeur affectant la durée de vie utile d'une batterie ou d'une pile à combustible, car les changements répétés de volume peuvent provoquer la formation de fissures, pouvant entraîner des courts-circuits ou des performances dégradées. Mais pour les actionneurs haute température, ces changements de volume sont un résultat souhaité plutôt qu'un effet secondaire indésirable.

    Les résultats sont décrits dans un rapport paru cette semaine dans le journal Matériaux naturels , par Jessica Swallow, un étudiant diplômé du MIT ; Krystyn Van Vliet, le professeur Michael (1949) et Sonja Koerner de science et d'ingénierie des matériaux; Harry Tuller, professeur de science et ingénierie des matériaux; et cinq autres.

    "La chose la plus intéressante à propos de ces matériaux est qu'ils fonctionnent à des températures supérieures à 500 degrés Celsius, " explique Swallow. Cela suggère que leurs mouvements de flexion prévisibles pourraient être exploités, par exemple, pour la robotique de maintenance à l'intérieur d'un réacteur nucléaire, ou des actionneurs à l'intérieur de moteurs à réaction ou de moteurs d'engins spatiaux.

    En couplant ces matériaux oxydes avec d'autres matériaux dont les dimensions restent constantes, il est possible de réaliser des actionneurs qui se plient lorsque l'oxyde se dilate ou se contracte. Cette action est similaire au fonctionnement des bilames dans les thermostats, où le chauffage fait qu'un métal se dilate plus qu'un autre qui lui est lié, conduisant la bande collée à se plier. Pour ces tests, les chercheurs ont utilisé un composé appelé PCO, pour l'oxyde de cérium dopé au praséodyme.

    Matériaux conventionnels utilisés pour créer du mouvement en appliquant de l'électricité, tels que les dispositifs piézoélectriques, ne fonctionnent pas aussi bien à des températures aussi élevées, le nouveau système pourrait donc ouvrir un nouveau domaine de capteurs et d'actionneurs à haute température. De tels dispositifs pourraient être utilisés, par exemple, ouvrir et fermer des vannes dans ces environnements chauds, disent les chercheurs.

    Ce diagramme illustre comment le matériau en couche mince se plie à partir de son état plat normal (centre) lorsque l'oxygène est absorbé par sa structure (à droite) ou libéré (à gauche). Ce comportement permet de contrôler à distance la forme du film en modifiant sa charge électrique. Crédit :Massachusetts Institute of Technology

    Van Vliet dit que la découverte a été rendue possible grâce à une haute résolution, système de mesure mécanique à sonde pour les conditions de température élevée qu'elle et ses collègues ont développé au fil des ans. Le système fournit "des mesures de précision du mouvement du matériau qui sont ici directement liées aux niveaux d'oxygène, " elle dit, permettant aux chercheurs de mesurer exactement comment l'oxygène entre et sort de l'oxyde métallique.

    Pour faire ces mesures, les scientifiques commencent par déposer une fine couche d'oxyde métallique sur un substrat, puis utiliser le système de détection, qui permet de mesurer de petits déplacements à l'échelle du nanomètre, ou des milliardièmes de mètre. "Ces matériaux sont spéciaux, " elle dit, "parce qu'ils "respirent" de l'oxygène à l'intérieur et à l'extérieur, et changer le volume, et cela fait plier le substrat."

    Alors qu'ils ont démontré le processus en utilisant un composé d'oxyde particulier, les chercheurs disent que les résultats pourraient s'appliquer largement à une variété de matériaux d'oxyde, et même à d'autres types d'ions en plus de l'oxygène, entrer et sortir de la couche d'oxyde.

    Ces résultats « sont très significatifs, puisqu'ils démontrent et expliquent l'expansion chimique des couches minces à haute température, " dit Holger Fritze, un professeur à la

    Université de technologie de Clausthal en Allemagne, qui n'a pas participé à ce travail. "De tels systèmes présentent une grande contrainte par rapport à d'autres matériaux stables à haute température, permettant ainsi de nouvelles applications, y compris les actionneurs à haute température, " il dit.

    "L'approche utilisée ici est très originale, " dit Brian Sheldon, professeur d'ingénierie à l'Université Brown, qui n'a pas non plus participé à cette recherche. "Comme les auteurs l'ont souligné, cette approche peut fournir des informations qui diffèrent de celles obtenues avec d'autres méthodes utilisées pour étudier l'expansion chimique."

    Ce travail a deux caractéristiques importantes, Sheldon dit :Il fournit des informations de base importantes sur l'expansion chimique de ces matériaux, et il ouvre la possibilité de nouveaux types d'actionneurs à haute température. "Je pense que les deux sont des réalisations très importantes, " il dit.

    Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.




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