Un modèle montrant comment un simple matériau en couches, représenté en orange et bleu, se transforme en un matériau composite à structure archimédienne complexe lorsqu'il se fige autour d'un gabarit, représenté en gris. Crédit :Paul Braun
Les composites fabriqués à partir de matériaux inorganiques auto-assemblants sont appréciés pour leur résistance unique et thermique, propriétés optiques et magnétiques. Cependant, parce que l'auto-assemblage peut être difficile à contrôler, les structures formées peuvent être très désordonnées, conduisant à des défauts lors de la production à grande échelle. Des chercheurs de l'Université de l'Illinois et de l'Université du Michigan ont mis au point une technique de création de modèles qui instille un plus grand ordre et donne naissance à de nouvelles structures 3D dans une classe spéciale de matériaux, appelé eutectique, former de nouveaux, matériaux performants.
Les résultats de l'étude collaborative sont publiés dans la revue La nature .
Les matériaux eutectiques contiennent des éléments et des composés qui ont des températures de fusion et de solidification différentes. Lorsqu'ils sont combinés, cependant, le composite formé a des températures de fusion et de congélation uniques, comme lorsque le sel et l'eau se combinent pour former de la saumure, qui gèle à une température plus basse que l'eau ou le sel seuls, les chercheurs ont dit. Lorsqu'un liquide eutectique se solidifie, les composants individuels se séparent, formant une structure cohésive, le plus souvent sous forme de couches. Le fait que les matériaux eutectiques s'auto-assemblent en composites les rend hautement souhaitables pour de nombreuses technologies modernes, allant des aubes de turbine haute performance aux alliages de soudure.
"Le fait d'avoir un point de fusion unique présente des avantages dans le traitement des matériaux composites, " a déclaré Paul Braun, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et directeur du Materials Research Lab de l'U. of I., qui a mené le projet. "Au lieu de déposer des couches de matière individuellement, nous commençons avec un liquide qui s'auto-assemble en se solidifiant. Cela peut accélérer la production et nous permet de produire de plus gros volumes en même temps. »
Le professeur Paul Braun a dirigé une équipe qui a développé un nouveau système de modèles pour aider à contrôler la qualité et les propriétés uniques d'une classe spéciale de matériaux composites inorganiques. Crédit :Fred Zwicky
Cependant, l'auto-assemblage peut entraîner des problèmes, il a dit, car sa nature incontrôlée peut former des défauts.
"La modélisation est une pratique courante utilisée dans le traitement des polymères organiques, " dit Ashish Kulkarni, un étudiant diplômé de l'Illinois et le premier auteur de l'étude. "Toutefois, ce n'est pas quelque chose qui a été exploré dans le traitement des matériaux inorganiques car les microstructures inorganiques sont plus rigides et plus difficiles à contrôler."
Pour démontrer ce processus en laboratoire, l'équipe a construit des modèles avec de minuscules poteaux disposés en formes hexagonales pour contrôler la resolidification d'une masse fondue contenant du chlorure d'argent et du chlorure de potassium, un matériau eutectique qui forme naturellement des couches en refroidissant.
"Si non contrôlé, les seules microstructures que ce système formera sont des couches, " a déclaré Katsuyo Thornton, professeur de science et d'ingénierie des matériaux au Michigan, qui a mené des simulations informatiques avec l'étudiant diplômé Erik Hanson, qui sont tous deux co-auteurs de l'étude. "On peut faire varier la vitesse de refroidissement pour rendre les couches plus épaisses ou plus fines, mais le schéma reste le même. En ajoutant un gabarit autour duquel le liquide se solidifie, nous espérions que de nouveaux modèles émergeraient."
Katsuyo Thornton, professeur d'ingénieurs à l'Université du Michigan, la gauche, et étudiant diplômé Erik Hanson. Crédit :Paul Braun
L'équipe a découvert que lorsque l'argent et le chlorure de potassium fondent pour se solidifier autour des gabarits de forme hexagonale, les poteaux gênent la formation de la couche et produisent un composite avec un réseau de carrés différents, à la place des microstructures triangulaires et en nid d'abeille - les spécificités de la structure en fonction de la distance entre les poteaux sur le gabarit.
« La nature répétitive de ces modèles et de ces structures nouvellement formées réduit les risques de formation de défauts, " dit Braun. " Alors, non seulement avons-nous formé de nouvelles microstructures passionnantes, mais nous avons également réduit le nombre de défauts dans le matériau composite résultant."
Les chercheurs exploreront comment les nouvelles microstructures influencent les propriétés physiques d'un large éventail de matériaux eutectiques.
"Les matériaux que nous avons utilisés dans nos expériences sont transparents, donc la première direction à prendre pourrait être d'explorer des matériaux optiques, et il y a beaucoup de potentiel dans le domaine des cristaux photoniques, " a déclaré Braun. " Nous sommes encore loin d'une application réelle, mais les possibilités sont abondantes."
