Quand la plupart des gens pensent à la céramique, ils pourraient imaginer leur tasse préférée ou un pot de fleurs. Mais la technologie moderne regorge de céramiques avancées, des panneaux solaires en silicium aux supraconducteurs en céramique et aux implants biomédicaux.

Beaucoup de ces céramiques polycristallines avancées sont des combinaisons de grains cristallins qui, au niveau microscopique, ressemblent à une clôture en pierre maintenue avec du mortier de calcaire. Comme cette clôture, la résistance de la céramique est déterminée par la résistance du mortier - qui en céramique est le joint de grain, ou les zones où les différents grains se rencontrent.

Précédemment, la plupart des chercheurs pensaient que la chimie de ces joints de grains dans la céramique était très stable. Mais une nouvelle étude réalisée par des ingénieurs en sciences des matériaux de l'Université du Wisconsin-Madison montre que ce n'est pas le cas. En réalité, dans l'important matériau céramique carbure de silicium, les atomes de carbone s'accumulent à ces joints de grains lorsque le matériau est exposé au rayonnement. Cette découverte pourrait aider les ingénieurs à mieux comprendre les propriétés de la céramique et pourrait aider à affiner une nouvelle génération de matériaux céramiques.

Les détails de l'étude paraissent aujourd'hui dans la revue Matériaux naturels .

Depuis les années 1970, les chercheurs ont été au courant d'une ségrégation induite par le rayonnement similaire dans les alliages métalliques. Parce que les atomes métalliques partagent librement des électrons, ils sont capables de mélanger et de démixer facilement. Lorsqu'ils sont bombardés par des rayonnements ioniques, certains des atomes dans les métaux sortiront de leur place et se déplaceront vers les joints de grains, et si différents types d'atomes se déplacent à des vitesses différentes, la chimie de l'alliage peut être modifiée.

Les atomes des céramiques sont très sélectifs quant aux voisins avec lesquels ils se lient et les liaisons sont beaucoup plus fortes que dans les métaux. C'est pourquoi les chercheurs pensaient que ces atomes n'étaient pas soumis au même type de ségrégation. Mais quand Izabela Szlufarska, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW-Madison, a commencé à regarder de près les joints de grains du carbure de silicium, ce n'est pas ce qu'elle a trouvé.

"En carbure de silicium, le silicium et le carbone veulent vraiment être associés; ils veulent 50 pour cent de carbone et 50 pour cent de silicium, " elle dit.

Cependant, lorsque son équipe a effectué des simulations et a également imagé les joints de grains, la concentration de carbone n'était que de 45 pour cent aux limites. "L'alchimie était vraiment en panne, " dit-elle. " C'était la première surprise, puisque ce matériau veut vraiment avoir des atomes ordonnés."

Cela suggère que le carbure de silicium pourrait également être sensible à la ségrégation induite par le rayonnement. Alors Szlufarska et son équipe ont bombardé la substance avec un rayonnement ionique, constatant qu'entre 300 degrés Celsius et 600 degrés Celsius, les joints de grains ont subi un enrichissement en carbone.

A ces niveaux d'énergie, le rayonnement fait sortir certains atomes de carbone de leur place, créant une paire de défauts dans le carbure de silicium, y compris un point vide appelé lacune et un atome de carbone lâche appelé interstitiel. Ces atomes interstitiels non attachés migrent vers les joints de grains où ils s'accumulent, affectant la chimie du matériau.

Outre le fait que les chercheurs ne croyaient tout simplement pas que ce type de ségrégation puisse avoir lieu dans la céramique, Szlufarska dit que, jusque récemment, ils manquaient également d'outils pour enquêter sur le phénomène. Après une fabrication et une préparation minutieuses des bi-cristaux de carbure de silicium, La microscopie électronique à transmission à balayage de pointe menée à l'UW-Madison et au laboratoire national d'Oak Ridge a permis à l'équipe de déterminer la composition chimique le long des joints de grains.

L'équipe pense que le phénomène est susceptible de se produire également dans d'autres céramiques polycristallines. Le processus est une arme à double tranchant :d'une part, la ségrégation radio-induite signifie que les céramiques sont soumises aux mêmes types d'endommagement et de détérioration à leurs joints de grains que les alliages métalliques, mais à des températures différentes. D'autre part, la ségrégation pourrait être utile dans l'ingénierie des matériaux pour produire des versions spécialisées de céramiques comme le carbure de silicium, qui est utilisé dans l'énergie nucléaire, moteurs à réaction et autres applications de haute technologie.

"Peut-être que le rayonnement peut être utilisé comme un outil pour affiner la chimie des joints de grains, " dit Xing Wang, co-auteur de l'étude et professeur à l'Université d'État de Pennsylvanie qui a travaillé sur la recherche tout en obtenant son doctorat à l'UW-Madison. "Cela pourrait nous être utile à l'avenir."