Les scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie disposent de nouvelles preuves expérimentales et d'une théorie prédictive qui résolvent un mystère de longue date de la science des matériaux :pourquoi certains matériaux cristallins rétrécissent lorsqu'ils sont chauffés. Leur travail, vient de paraître dans Avancées scientifiques , pourrait avoir une application répandue pour faire correspondre les propriétés des matériaux à des applications spécifiques en médecine, électronique, et d'autres domaines, et peut même fournir un nouvel aperçu des supraconducteurs non conventionnels (matériaux qui transportent du courant électrique sans perte d'énergie).

La preuve vient de mesures de précision des distances entre les atomes dans les cristaux de fluorure de scandium (ScF 3 ), un matériau connu pour sa contraction inhabituelle sous des températures élevées (également connu sous le nom de « dilatation thermique négative »). Ce que les scientifiques ont découvert, c'est un nouveau type de mouvement vibratoire qui provoque les côtés de ces cubes en forme de cristaux apparemment solides qui se déforment lorsqu'ils sont chauffés, rapprochant ainsi les coins.

"Normalement, quand quelque chose se réchauffe, il s'élargit, " a déclaré le physicien de Brookhaven Igor Zaliznyak, qui a mené le projet. "Quand tu chauffes quelque chose, les vibrations atomiques augmentent en amplitude, et la taille globale du matériau augmente pour s'adapter aux vibrations plus importantes."

Cette relation, cependant, ne tient pas pour certains matériaux souples, y compris les polymères en forme de chaîne tels que les plastiques et le caoutchouc. Dans ces matériaux, l'augmentation de la chaleur n'augmente les vibrations que perpendiculairement à la longueur des chaînes (imaginez les vibrations latérales d'une corde de guitare pincée). Ces vibrations transversales rapprochent les extrémités des chaînes, entraînant un rétrécissement global.

Mais qu'en est-il du fluorure de scandium ? Avec un solide, structure cristalline cubique, il ne ressemble en rien à un polymère, du moins à première vue. En outre, une hypothèse répandue selon laquelle les atomes d'un cristal solide doivent maintenir leurs orientations relatives, quelle que soit la taille du cristal, laissé les physiciens perplexes pour expliquer comment ce matériau rétrécit lorsqu'il est chauffé.

Des neutrons et un étudiant dévoué à la rescousse

Un groupe du California Institute of Technology (Caltech) utilisait une méthode pour explorer ce mystère à la Spallation Neutron Source (SNS), une installation utilisateur du DOE Office of Science au Oak Ridge National Laboratory. Mesurer comment les faisceaux de neutrons, un type de particule subatomique, la dispersion des atomes dans un cristal peut donner des informations précieuses sur leur disposition à l'échelle atomique. Il est particulièrement utile pour les matériaux légers comme le fluor qui sont invisibles aux rayons X, dit Zaliznyak.

Entendant parler de ce travail, Zaliznyak a noté que son collègue, Émile Bozin, un expert d'une autre technique d'analyse par diffusion de neutrons, pourrait probablement faire progresser la compréhension du problème. la méthode de Bozin, connue sous le nom de "fonction de distribution de paires, " décrit la probabilité de trouver deux atomes séparés par une certaine distance dans un matériau. Les algorithmes de calcul trient ensuite les probabilités pour trouver le modèle structurel qui correspond le mieux aux données.

Zaliznyak et Bozin se sont associés à l'équipe de Caltech pour collecter des données au SNS à l'aide du ScF de Caltech 3 échantillons pour suivre comment les distances entre les atomes voisins ont changé avec l'augmentation de la température.

David Wendt, un étudiant qui a commencé un stage du Brookhaven Lab High School Research Program dans le laboratoire de Zaliznyak après sa deuxième année au lycée (maintenant étudiant de première année à l'Université de Stanford), géré une grande partie de l'analyse des données. Il a continué à travailler sur le projet tout au long de ses années de lycée, gagner la position de premier auteur sur le papier.

"David a essentiellement réduit les données à la forme que nous pouvions analyser à l'aide de nos algorithmes, ajusté les données, composé un modèle pour modéliser les positions des atomes de fluor, et fait l'analyse statistique pour comparer nos résultats expérimentaux au modèle. La quantité de travail qu'il a accomplie est comparable à ce qu'un bon postdoctoral ferait !", a déclaré Zaliznyak.

"Je suis très reconnaissant de l'opportunité que Brookhaven Lab m'a offerte de contribuer à des recherches originales par le biais de leur programme de recherche au lycée, " a déclaré Wendt.

Résultats :mouvement « doux » dans un solide

Les mesures ont montré que les liaisons entre le scandium et le fluor ne changent pas vraiment avec le chauffage. "En réalité, ils se dilatent légèrement, " Zaliznyak a dit, "ce qui est cohérent avec la raison pour laquelle la plupart des solides se dilatent."

Mais les distances entre les atomes de fluor adjacents sont devenues très variables avec l'augmentation de la température.

"Nous cherchions des preuves que les atomes de fluor restaient dans une configuration fixe, comme on l'a toujours supposé, et nous avons trouvé tout le contraire !", a déclaré Zaliznyak.

Alexeï Tkachenko, un expert en théorie de la matière molle condensée du Centre pour les nanomatériaux fonctionnels du Brookhaven Lab (une autre installation utilisateur de l'Office of Science) a apporté des contributions essentielles à l'explication de ces données inattendues.

Puisque les atomes de fluor semblaient ne pas être confinés à des positions rigides, l'explication pourrait s'appuyer sur une théorie beaucoup plus ancienne développée à l'origine par Albert Einstein pour expliquer les mouvements atomiques en considérant chaque atome séparément. Et étonnamment, l'explication finale montre que le retrait induit par la chaleur dans ScF 3 présente une ressemblance remarquable avec le comportement des polymères de matière molle.

"Comme chaque atome de scandium a une liaison rigide avec le fluor, les « chaînes » de fluorure de scandium qui forment les côtés des cubes cristallins (avec du scandium aux coins) agissent de la même manière que les parties rigides d'un polymère, " expliqua Zaliznyak. Les atomes de fluor au centre de chaque côté du cube, cependant, sont libres de tout autre lien. Donc, à mesure que la température augmente, les atomes de fluor "sous-contraints" sont libres d'osciller indépendamment dans des directions perpendiculaires aux liaisons Sc-F rigides. Ces oscillations thermiques transversales rapprochent les atomes Sc aux coins du réseau cubique, résultant en un retrait similaire à celui observé dans les polymères.

Correspondance thermique pour les applications

Cette nouvelle compréhension améliorera la capacité des scientifiques à prédire ou à concevoir stratégiquement la réponse thermique d'un matériau pour des applications où des changements de température sont attendus. Par exemple, les matériaux utilisés dans l'usinage de précision devraient idéalement montrer peu de changement en réponse au chauffage et au refroidissement pour maintenir la même précision dans toutes les conditions. Matériaux utilisés dans les applications médicales, tels que les obturations dentaires ou les remplacements osseux, devraient avoir des propriétés de dilatation thermique qui correspondent étroitement à celles des structures biologiques dans lesquelles ils sont intégrés (pensez à quel point ce serait douloureux si votre plombage se dilatait pendant que votre dent se contractait en buvant du café chaud !). Et dans les semi-conducteurs ou les lignes de transmission à fibres optiques sous-marines, la dilatation thermique des matériaux isolants doit correspondre à celle des matériaux fonctionnels pour éviter d'entraver la transmission du signal.

Zaliznyak note qu'une architecture de cadre ouverte sous-contrainte comme celle de ScF 3 est également présent dans les supraconducteurs à base d'oxyde de cuivre et de fer, où les vibrations du réseau cristallin joueraient un rôle dans la capacité de ces matériaux à transporter le courant électrique sans résistance.

"L'oscillation indépendante des atomes dans ces structures à cadre ouvert peut contribuer aux propriétés de ces matériaux d'une manière que nous pouvons maintenant calculer et comprendre, " a déclaré Zaliznyak. " Ils pourraient en fait expliquer certaines de nos propres observations expérimentales qui restent encore un mystère dans ces supraconducteurs, " il ajouta.

"Ce travail a profondément bénéficié des avantages importants des laboratoires nationaux du DOE, notamment des installations uniques du DOE et de notre capacité à mener des projets à long terme où des contributions importantes s'accumulent au fil du temps pour aboutir à une découverte, " a déclaré Zaliznyak. " Il représente la confluence unique de différentes expertises parmi les coauteurs, dont un lycéen stagiaire dédié, que nous avons pu intégrer en synergie pour ce projet. Il n'aurait pas été possible de mener à bien cette recherche sans l'expertise de tous les membres de l'équipe."