Si jamais vous avez la malchance d'avoir une voiture avec des pneus en métal, vous pourriez envisager un ensemble fabriqué à partir d'un nouvel alliage conçu par Sandia National Laboratories. Vous pourriez déraper, ne pas conduire, déraper - autour de l'équateur terrestre 500 fois avant d'user la bande de roulement.

L'équipe de science des matériaux de Sandia a conçu un alliage platine-or considéré comme le métal le plus résistant à l'usure au monde. Il est 100 fois plus durable que l'acier à haute résistance, ce qui en fait le premier alliage, ou combinaison de métaux, dans la même classe que le diamant et le saphir, les matériaux naturels les plus résistants à l'usure. L'équipe de Sandia a récemment rapporté ses découvertes dans Matériaux avancés . « Nous avons montré qu'il y a un changement fondamental que vous pouvez apporter à certains alliages qui conférera cette énorme augmentation des performances sur une large gamme de vrais, métaux pratiques, " a déclaré le scientifique des matériaux Nic Argibay, un auteur sur le papier.

Bien que les métaux soient généralement considérés comme solides, quand ils frottent à plusieurs reprises contre d'autres métaux, comme dans un moteur, ils s'usent, se déformer et se corroder à moins qu'ils n'aient une barrière de protection, comme les additifs dans l'huile moteur.

En électronique, les contacts métal-métal mobiles reçoivent des protections similaires avec des couches externes d'or ou d'autres alliages de métaux précieux. Mais ces revêtements sont chers. Et finalement ils s'usent, trop, au fur et à mesure que les connexions se pressent et glissent l'une sur l'autre jour après jour, année après année, parfois des millions, voire des milliards de fois. Ces effets sont exacerbés plus les connexions sont petites, parce que moins vous commencez avec, moins une connexion peut subir d'usure avant qu'elle ne fonctionne plus.

Avec le revêtement platine-or de Sandia, une seule couche d'atomes serait perdue après un kilomètre de dérapage sur les pneus hypothétiques. Le revêtement ultradurable pourrait faire économiser à l'industrie électronique plus de 100 millions de dollars par an rien qu'en matériaux, Argibay dit, et rendre l'électronique de toutes tailles et dans de nombreuses industries plus rentable, durable et fiable, des systèmes aérospatiaux et éoliennes à la microélectronique pour téléphones portables et systèmes radar.

"Ces matériaux résistants à l'usure pourraient potentiellement offrir des avantages de fiabilité pour une gamme d'appareils que nous avons explorés, " a déclaré Chris Nordquist, un ingénieur de Sandia non impliqué dans l'étude. "Les opportunités d'intégration et d'amélioration seraient spécifiques à l'appareil, mais ce matériau fournirait un autre outil pour répondre aux limitations de fiabilité actuelles des composants microélectroniques métalliques. »

Le nouveau métal met une vieille théorie au repos

Vous vous demandez peut-être comment les métallurgistes depuis des milliers d'années ont en quelque sorte manqué cela. En vérité, la combinaison de 90 pour cent de platine avec 10 pour cent d'or n'est pas nouvelle du tout.

Mais l'ingénierie est nouvelle. Argibay et son coauteur Michael Chandross ont conçu le design et la nouvelle sagesse du 21e siècle qui se cache derrière. La sagesse conventionnelle dit que la capacité d'un métal à résister à la friction est basée sur sa dureté. L'équipe de Sandia a proposé une nouvelle théorie selon laquelle l'usure est liée à la réaction des métaux à la chaleur, pas leur dureté, et ils ont trié les métaux à la main, proportions et un procédé de fabrication qui pourraient prouver leur théorie.

"De nombreux alliages traditionnels ont été développés pour augmenter la résistance d'un matériau en réduisant la taille des grains, " dit John Curry, un post-doctorant chez Sandia et premier auteur de l'article. "Même encore, en présence de contraintes et de températures extrêmes, de nombreux alliages vont grossir ou se ramollir, surtout sous fatigue. Nous avons vu qu'avec notre alliage platine-or la stabilité mécanique et thermique est excellente, et nous n'avons pas vu beaucoup de changement dans la microstructure sur des périodes extrêmement longues de contrainte cyclique pendant le glissement."

Maintenant, ils ont la preuve qu'ils peuvent tenir entre leurs mains. Il ressemble et se sent comme du platine ordinaire, blanc argenté et un peu plus lourd que l'or pur. Le plus important, ce n'est pas plus dur que les autres alliages platine-or, mais il résiste bien mieux à la chaleur et cent fois plus résistant à l'usure.

L'approche de l'équipe est moderne et s'appuie sur des outils informatiques. La théorie d'Argibay et Chandross est née de simulations qui calculaient comment les atomes individuels affectaient les propriétés à grande échelle d'un matériau, une connexion qui est rarement évidente à partir des seules observations. Les chercheurs dans de nombreux domaines scientifiques utilisent des outils informatiques pour éliminer une grande partie des conjectures de la recherche et du développement.

"Nous nous penchons sur les mécanismes atomiques fondamentaux et la microstructure et nous relions toutes ces choses ensemble pour comprendre pourquoi vous obtenez de bonnes performances ou pourquoi vous obtenez de mauvaises performances, puis concevoir un alliage qui vous donne de bonnes performances, " a déclaré Chandross.

Une belle surprise

Toujours, il y aura toujours des surprises en science. Dans un article séparé publié dans Carbone , l'équipe de Sandia décrit les résultats d'un accident remarquable. Un jour, en mesurant l'usure de leur platine-or, un film noir inattendu a commencé à se former sur le dessus. Ils l'ont reconnu :du carbone semblable au diamant, l'un des meilleurs revêtements artificiels au monde, lisse comme du graphite et dur comme du diamant. Leur création fabriquait son propre lubrifiant, et un bon à cela.

Le carbone de type diamant nécessite généralement des conditions spéciales pour sa fabrication, et pourtant l'alliage l'a synthétisé spontanément.

"Nous pensons que la stabilité et la résistance inhérente à l'usure permettent aux molécules contenant du carbone de l'environnement de coller et de se dégrader pendant le glissement pour finalement former du carbone semblable au diamant, " Curry a déclaré. " L'industrie a d'autres méthodes pour le faire, mais ils impliquent généralement des chambres à vide avec des plasmas à haute température d'espèces carbonées. Cela peut coûter très cher."

Le phénomène pourrait être exploité pour améliorer encore les performances déjà impressionnantes du métal, et cela pourrait aussi potentiellement conduire à une solution plus simple, moyen plus rentable de produire en série un lubrifiant de qualité supérieure.