Dans un grain d'argent, les impuretés des atomes de cuivre (en vert) ont été sélectivement ségréguées en un joint de grain (à gauche) et en défauts internes (longues cordes, streaming vers le bas.) Cet instantané, à partir d'une simulation informatique atomistique, fait partie d'une étude récente montrant comment les impuretés peuvent être utilisées pour créer une nouvelle classe de matériaux super résistants mais toujours conducteurs appelés « métaux nanocristallins-nanomancés ». Cette forme d'argent dopé au cuivre est si forte qu'elle a dépassé une limite théorique de longue date, connu comme la force idéale de Hall-Petch. Crédit :Frédéric Sansoz, UVM
Une équipe de scientifiques a fabriqué l'argent le plus solide jamais enregistré, soit 42 % plus fort que le précédent record du monde. Mais ce n'est pas le point important.
« Nous avons découvert un nouveau mécanisme à l'œuvre à l'échelle nanométrique qui nous permet de fabriquer des métaux beaucoup plus solides que tout ce qui n'a jamais été fait auparavant, sans perdre de conductivité électrique, " dit Frédéric Sansoz, un scientifique des matériaux et professeur de génie mécanique à l'Université du Vermont qui a codirigé la nouvelle découverte.
Cette percée fondamentale promet une nouvelle catégorie de matériaux qui peuvent surmonter un compromis traditionnel dans les matériaux industriels et commerciaux entre la résistance et la capacité de transporter le courant électrique.
Les résultats de l'équipe ont été publiés le 23 septembre dans la revue Matériaux naturels .
Repenser le défaut
Tous les métaux ont des défauts. Souvent, ces défauts conduisent à des qualités indésirables, comme la fragilité ou le ramollissement. Cela a conduit les scientifiques à créer divers alliages ou mélanges lourds de matériaux pour les rendre plus résistants. Mais à mesure qu'ils deviennent plus forts, ils perdent la conductivité électrique.
"Nous nous sommes demandé, comment faire un matériau avec des défauts mais surmonter le ramollissement tout en conservant l'électroconductivité, " a déclaré Morris Wang, scientifique principal au Lawrence Livermore National Laboratory et co-auteur de la nouvelle étude.
En mélangeant une trace de cuivre dans l'argent, l'équipe a montré qu'elle peut transformer deux types de défauts inhérents à l'échelle nanométrique en une puissante structure interne. "C'est parce que les impuretés sont directement attirées par ces défauts, " explique Sansoz. Autrement dit, l'équipe a utilisé une impureté de cuivre - une forme de dopage ou "microalliage" comme les scientifiques l'appellent - pour contrôler le comportement des défauts de l'argent. Comme une sorte de jiu-jitsu à l'échelle atomique, les scientifiques ont retourné les défauts à leur avantage, en les utilisant à la fois pour renforcer le métal et maintenir sa conductivité électrique.
Pour faire leur découverte, l'équipe, y compris les experts de l'UVM, Laboratoire national Lawrence Livermore, le laboratoire Ames, Laboratoire national de Los Alamos et UCLA - ont commencé avec une idée fondamentale de l'ingénierie des matériaux :à mesure que la taille d'un cristal - ou d'un grain - de matériau devient plus petite, ça devient plus fort. Les scientifiques appellent cela la relation Hall-Petch. Ce principe de conception général a permis aux scientifiques et aux ingénieurs de construire des alliages plus solides et des céramiques avancées depuis plus de 70 ans. Il fonctionne très bien.
Le scientifique de l'Université du Vermont, Frederic Sansoz, détient une tranche de l'argent le plus solide au monde. La nouvelle forme de métal fait partie d'une découverte qui pourrait lancer des avancées technologiques allant des avions plus légers aux meilleurs panneaux solaires. Crédit :Joshua Brown
Jusqu'à ce que non. Finalement, lorsque les grains de métal atteignent une taille infinitésimale - inférieure à des dizaines de nanomètres de large - les frontières entre les grains deviennent instables et commencent à bouger. Par conséquent, une autre approche connue pour renforcer des métaux comme l'argent utilise des « frontières jumelles cohérentes » à l'échelle nanométrique, " qui sont un type spécial de joint de grain. Ces structures d'atomes appariés - formant une interface cristalline symétrique semblable à un miroir - sont extrêmement résistantes à la déformation. Sauf que ces joints jumeaux, trop, deviennent mous lorsque leur espacement tombe sous une taille critique de quelques nanomètres, en raison d'imperfections.
Des propriétés sans précédent
Très grossièrement, les nanocristaux sont comme des morceaux de tissu et les nanojumeaux sont comme des fils solides mais minuscules dans le tissu. Sauf qu'ils sont à l'échelle atomique. La nouvelle recherche combine les deux approches pour faire de ce que les scientifiques appellent un "métal nanocristallin-nano-mêlé, " qui a " des propriétés mécaniques et physiques sans précédent, " écrit l'équipe.
C'est parce que les atomes de cuivre, légèrement plus petit que les atomes d'argent, se déplacent dans des défauts à la fois dans les joints de grains et dans les joints jumeaux. Cela a permis à l'équipe - en utilisant des simulations informatiques d'atomes comme point de départ, puis en passant à de vrais métaux avec des instruments de pointe aux Laboratoires nationaux - de créer la nouvelle forme d'argent ultra-forte. Les minuscules impuretés de cuivre dans l'argent empêchent les défauts de se déplacer, mais sont une si petite quantité de métal - moins d'un pour cent du total - que la riche conductivité électrique de l'argent est conservée. "Les impuretés de l'atome de cuivre vont le long de chaque interface et non entre les deux, " explique Sansoz. " Donc, ils ne perturbent pas les électrons qui se propagent à travers. "
Non seulement ce métal surmonte le ramollissement précédemment observé lorsque les grains et les joints jumelés deviennent trop petits - la soi-disant "claquage Hall-Petch" - il dépasse même la limite théorique de longue date de Hall-Petch. L'équipe rapporte qu'une "résistance maximale idéale" peut être trouvée dans les métaux avec des frontières jumelles distantes de moins de sept nanomètres, juste quelques atomes. Et une version traitée thermiquement de l'argent à lacets de cuivre de l'équipe a une dureté supérieure à ce que l'on pensait être le maximum théorique.
"Nous avons battu le record du monde, et la limite de Hall-Petch aussi, non pas une mais plusieurs fois au cours de cette étude, avec des expériences très contrôlées, " dit Sansoz.
Sansoz est convaincu que l'approche de l'équipe pour fabriquer de l'argent super résistant et toujours conducteur peut être appliquée à de nombreux autres métaux. "Il s'agit d'une nouvelle classe de matériaux et nous commençons tout juste à comprendre comment ils fonctionnent, " dit-il. Et il anticipe que la science fondamentale révélée dans la nouvelle étude peut conduire à des avancées technologiques - des cellules solaires plus efficaces aux avions plus légers aux centrales nucléaires plus sûres. " Quand vous pouvez rendre le matériau plus solide, vous pouvez en utiliser moins, et ça dure plus longtemps, " il dit, "et être conducteur d'électricité est crucial pour de nombreuses applications."
