Le chercheur postdoctoral Peiman Shahbegi-Roodposhti et un étudiant de premier cycle en science des matériaux travaillent avec une boîte à gants pour produire des nanomatériaux. Crédit :Université du Connecticut
Des chercheurs de l'Université du Connecticut ont découvert que la réduction de l'oxygène dans certains matériaux nanocristallins peut améliorer leur résistance et leur durabilité à des températures élevées, une amélioration prometteuse qui pourrait conduire à de meilleurs biocapteurs, moteurs à réaction plus rapides, et des semi-conducteurs de plus grande capacité.
"La stabilisation des nanocristaux à des températures élevées est un défi commun, " dit Peiman Shahbeigi-Roodposhti, chercheur postdoctoral à l'Institut des sciences des matériaux de l'UConn et auteur principal de l'étude. « Dans certains alliages, nous avons découvert que des niveaux élevés d'oxygène peuvent entraîner une réduction significative de leur efficacité. »
En utilisant un processus de broyage spécial dans une boîte à gants fermée remplie de gaz argon, scientifiques de l'UConn, travaillant en collaboration avec des chercheurs de la North Carolina State University, ont pu synthétiser des cristaux nanométriques de fer-chrome et de fer-chrome-hafnium avec des niveaux d'oxygène aussi bas que 0,01%. Ces poudres d'alliage presque sans oxygène semblaient être beaucoup plus stables que leurs homologues du commerce avec une teneur en oxygène plus élevée à des températures élevées et sous des niveaux de stress élevés.
"Dans cette étude, pour la première fois, des nanomatériaux sans oxygène optimaux ont été développés, " dit Sina Shahbazmohamadi, professeur adjoint de génie biomédical à l'UConn et co-auteur de l'article. « Différentes techniques de caractérisation, y compris la microscopie électronique à transmission à correction d'aberration avancée, a révélé une amélioration significative de la stabilité de la taille des grains à des températures élevées."
La stabilité de la taille des grains est importante pour les scientifiques qui cherchent à développer la prochaine génération de matériaux avancés. Comme de fins maillons dans une maille finement tissée, les grains sont les petits solides à partir desquels les métaux sont fabriqués. Des études ont montré que les grains plus petits sont meilleurs lorsqu'il s'agit de fabriquer des métaux plus forts et plus durs qui sont moins sujets à la fissuration, de meilleurs conducteurs d'électricité, et plus durable à des températures élevées et sous des contraintes extrêmes. Les récents progrès technologiques ont permis aux scientifiques des matériaux de développer des grains à l'échelle de seulement 10 nanomètres, qui est des dizaines de milliers de fois plus petit que l'épaisseur d'une feuille de papier ou la largeur d'un cheveu humain. De tels nanocristaux ne peuvent être observés que sous des microscopes extrêmement puissants.
Mais le processus n'est pas parfait. Lorsque certains nanograins sont créés en vrac pour des applications telles que les semi-conducteurs, la stabilité de leur taille peut fluctuer sous des températures et des contraintes plus élevées. C'est au cours de l'enquête sur cette instabilité que Shahbeigi-Roodposhti et l'équipe de recherche de l'UConn ont appris le rôle joué par l'oxygène dans l'affaiblissement de la stabilité des nanocristaux à haute température.
Des scientifiques de l'UConn et de la North Carolina State University ont découvert que la réduction de la teneur en oxygène de certains matériaux nanocristallins peut améliorer la stabilité de leur taille de grain à des températures élevées. Ce graphique montre le modèle de stabilité des nanograins de fer-chrome-hafnium avec de l'oxygène (représenté par des triangles rouges) et sans oxygène (représenté par des carrés noirs) lorsque la température augmente par rapport à la prédiction thermodynamique. Crédit :Peiman Shahbeigi-Roodposhti
"Ce n'est qu'un premier pas, mais cette piste d'investigation pourrait finalement conduire à développer des moteurs à réaction plus rapides, plus de capacité dans les semi-conducteurs, et plus de sensibilité dans les biocapteurs, " dit Shahbeigi-Roodposhti.
Avancer, les chercheurs de l'UConn ont l'intention de tester leur théorie sur d'autres alliages pour voir si la présence ou l'absence d'oxygène a un impact sur leurs performances à des températures élevées.
L'étude, "Effet de la teneur en oxygène sur la stabilité thermique de la taille des grains pour les poudres d'alliage nanocristallin Fe10Cr et Fe14Cr4Hf, " qui a été soutenu par un financement du département américain de l'Énergie, apparaît actuellement en ligne dans le Journal des alliages et des composés .
