Les avancées les plus significatives de la civilisation humaine sont marquées par la progression des matériaux que les humains utilisent. L'âge de pierre a cédé la place à l'âge du bronze, qui à son tour a cédé la place à l'âge du fer. Les nouveaux matériaux bouleversent les technologies de l'époque, améliorer la vie et la condition humaine.

Les technologies modernes peuvent également être directement liées aux innovations dans les matériaux utilisés pour les fabriquer, comme en témoigne l'utilisation du silicium dans les puces informatiques et les aciers de pointe qui sous-tendent l'infrastructure. Depuis des siècles, cependant, les matériaux et la conception des alliages reposent sur l'utilisation d'une base, ou principal, élément, auquel de petites fractions d'autres éléments sont ajoutées. Prenez de l'acier, par exemple, dans lequel de minuscules quantités de carbone ajoutées à l'élément principal fer (Fe), conduire à des propriétés améliorées. Lorsque de petites quantités d'autres éléments sont ajoutées, l'acier peut être adapté pour, dire, résistance à la corrosion améliorée ou résistance améliorée.

Datant d'une idée proposée en 2004, ces dernières années ont vu l'émergence d'un nouveau paradigme dans la conception des alliages, dans lequel trois éléments ou plus sont mélangés dans des proportions à peu près égales. Alliages d'éléments multiprincipaux nommés (MPEA), ou souvent connu comme un sous-ensemble de ces alliages appelés alliages à haute entropie, ces matériaux brouillent la distinction entre les populations d'éléments majoritaires et minoritaires. Cette union plus parfaite des partenaires atomiques qui composent le matériau collectif présente des propriétés passionnantes qui leur permettent de mieux fonctionner que leurs homologues traditionnels.

"Certains de ces matériaux présentent des combinaisons exceptionnelles de résistance, ductilité et tolérance aux dommages, " écrit une équipe de chercheurs de l'UC Santa Barbara, dont les professeurs de matériaux Dan Gianola, Tresa Pollock et Irene Beyerlein, et chercheur postdoctoral Fulin Wang—et leurs co-auteurs dans un article publié aujourd'hui dans la revue Science . "Les alliages réfractaires [fabriqués à partir d'un groupe de neuf éléments métalliques du tableau périodique très résistants à la chaleur et à l'usure] sont des candidats intéressants pour une utilisation à des températures extrêmement élevées associées à de nombreuses applications technologiques."

Les MPEA ont motivé le développement des MPEA réfractaires, fabriqué pour la première fois en 2010. Mais l'utilisation de plusieurs alliages augmente presque infiniment le nombre de "recettes" d'alliages possibles. Le grand nombre de combinaisons qui peuvent être réalisées ouvre la voie à l'utilisation du criblage informatique avancé et de l'apprentissage automatique pour cibler les sous-ensembles de matériaux ayant les propriétés les plus intéressantes et souhaitables.

« Pour que ces approches soient couronnées de succès, il est essentiel que le processus de conception de l'alliage soit guidé par une compréhension des origines des propriétés spécifiques souhaitées, " écrit Julie Cairney, professeur à l'École d'aérospatiale, Génie mécanique et mécatronique, à l'Université de Sydney, en Australie, dans une pièce d'accompagnement.

Dans leurs Science papier, l'équipe de l'UCSB et ses collègues de l'Université du Kentucky, le laboratoire de recherche naval des États-Unis, et le laboratoire de recherche de l'US Air Force, suggèrent un moyen d'améliorer la capacité de prédire quels alliages pourraient avoir des propriétés intéressantes.

La principale de ces propriétés est la capacité d'un alliage à se déformer, c'est-à-dire être moulé ou plié, sans fissuration et pour maintenir son intégrité matérielle sous les charges excessives et la chaleur élevée rencontrées dans les environnements extrêmes, comme dans les ailes d'avion, moteurs de fusée et turbines industrielles.

« Au niveau atomique, un matériau se déforme, ou change de forme, à la suite de mouvements d'atomes, " a expliqué Wang, un post-doctorat dans le laboratoire de Gianola.

Les structures cristallines des métaux sont constituées de plans d'atomes empilés organisés en une grille très régulière. Lorsqu'un métal se déforme, les atomes bougent, ou glisser, les uns sur les autres sur la grille. La ligne séparant les régions où les atomes se sont déplacés et où ils ne se sont pas déplacés s'appelle une dislocation. Les propriétés des luxations, y compris la facilité et l'endroit où ils peuvent se déplacer, deviennent donc très importants pour les comportements de déformation du matériau.

Malgré les avantages des alliages MPE, les progrès dans leur conception ont été lents. Alors que les approches traditionnelles d'essais et d'erreurs sont inefficaces, à partir d'environ 2017, davantage d'efforts de recherche ont été consacrés à l'élaboration de théories pour tenter d'identifier la raison sous-jacente pour laquelle un alliage particulier avait des propriétés souhaitables.

"Mais, " Wang a dit, "il y a un manque de preuves expérimentales pour informer certains éléments critiques de la théorie. Quand j'ai commencé à travailler sur ce projet, ma question immédiate était, Quelle est la particularité des MPEA par rapport aux alliages traditionnels ? Puisque nous nous intéressons aux propriétés mécaniques, nous nous concentrons sur les luxations."

Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique pour étudier les configurations des dislocations et dévoiler les origines mécanistes qui donnent naissance aux propriétés souhaitables dans un alliage modèle. Combiné avec les simulations atomistiques du groupe d'Irene Beyerlein, ils ont montré que le champ aléatoire des différents éléments ouvre de multiples voies pour les mouvements de luxation, caractéristiques non disponibles dans les alliages conventionnels.

"Pour les luxations conventionnelles, la force pour rompre les liaisons atomiques à une dislocation est à valeur unique car tous les atomes se ressemblent, " Beyerlein a déclaré. "Pour la luxation MPE, cette force ne peut pas être déterministe. La structure d'une dislocation MPE est redéfinie lorsqu'elle essaie de se déplacer dans des environnements atomiques changeant de manière aléatoire.

"Avec nos calculs atomistiques, nous avons pris l'approche d'attendre l'inattendu et avons sondé non seulement les modes habituels mais également des modes de glissement supérieurs supplémentaires, généralement négligé dans la littérature à ce jour, " a-t-elle ajouté. " Nous avons également effectué des milliers de calculs, qui a montré à quel point cette force de dislocation critique peut être très variable et à quel point les modes de glissement supérieurs alternatifs sont favorables. »

L'étude fait partie d'un effort de collaboration plus large dirigé par Pollock et financé par l'Office of Naval Research, nommé MPE.edu, qui implique également les chercheurs de l'UCSB Carlos Levi et Anton van der Ven, visant à obtenir des informations fondamentales sur la meilleure façon d'explorer le vaste espace des alliages réfractaires.

« Alors que les alliages à composition complexe nous intéressent depuis longtemps, les progrès dans l'exploration du grand espace compositionnel ont été lents, " a déclaré Pollock. "Avec le projet MPE, nous avons réuni une équipe qui a utilisé les nouvelles technologies de calcul, apprentissage automatique, et des outils expérimentaux, qui nous ont permis de découvrir de nouveaux comportements et d'explorer rapidement de nouveaux domaines compositionnels. Les points de fusion très élevés des matériaux réfractaires d'intérêt les ont rendus notoirement difficiles à fabriquer et à étudier dans le passé, mais nos nouvelles approches, combiné avec la possibilité d'impression 3D, changer complètement le paysage."

"Ce travail est emblématique du vrai pouvoir de combiner les expériences avec la simulation et la théorie, " a déclaré Gianola. " De nombreux chercheurs font semblant de parler de cette synergie, mais cette étude n'aurait pas pu aller aussi loin sans les allers-retours constants entre les groupes expérimentaux et de simulation. L'avenir s'annonce très prometteur."