Cette "pièce" d'or a été fabriquée à partir de blocs de construction de nanoparticules, grâce à une nouvelle technique développée par des chercheurs de l'Université Brown. La fabrication de métaux en vrac de cette manière permet une précision de la microstructure du métal, ce qui améliore ses propriétés mécaniques. Crédit :Chen Lab / Université Brown
Les métallurgistes ont toutes sortes de moyens de rendre un morceau de métal plus dur. Ils peuvent le plier, tord le, passez-le entre deux rouleaux ou martelez-le avec un marteau. Ces méthodes fonctionnent en brisant la structure du grain du métal, les domaines cristallins microscopiques qui forment un morceau de métal en vrac. Les grains plus petits donnent des métaux plus durs.
Maintenant, un groupe de chercheurs de l'Université Brown a trouvé un moyen de personnaliser les structures de grains métalliques de bas en haut. Dans un article publié dans la revue Chimie , les chercheurs montrent une méthode pour briser des nanoclusters métalliques individuels pour former des morceaux de métal solide à grande échelle. Les tests mécaniques des métaux fabriqués à l'aide de cette technique ont montré qu'ils étaient jusqu'à quatre fois plus durs que les structures métalliques naturelles.
« Le martelage et d'autres méthodes de durcissement sont tous des moyens descendants de modifier la structure du grain, et il est très difficile de contrôler la taille des grains que vous obtenez, " dit Ou Chen, professeur adjoint de chimie à Brown et auteur correspondant de la nouvelle recherche. "Ce que nous avons fait, c'est créer des blocs de construction de nanoparticules qui fusionnent lorsque vous les pressez. De cette façon, nous pouvons avoir des tailles de grains uniformes qui peuvent être ajustées avec précision pour des propriétés améliorées."
Pour cette étude, les chercheurs ont fabriqué des "pièces de monnaie" centimétriques à l'aide de nanoparticules d'or, argent, palladium et autres métaux. Des articles de cette taille pourraient être utiles pour fabriquer des matériaux de revêtement haute performance, électrodes ou générateurs thermoélectriques (appareils qui convertissent les flux de chaleur en électricité). Mais les chercheurs pensent que le processus pourrait facilement être étendu pour fabriquer des revêtements métalliques ultra-durs ou des composants industriels plus volumineux.
La clé du processus, Chen dit, est le traitement chimique donné aux blocs de construction de nanoparticules. Les nanoparticules métalliques sont généralement recouvertes de molécules organiques appelées ligands, qui empêchent généralement la formation de liaisons métal-métal entre les particules. Chen et son équipe ont trouvé un moyen d'éliminer chimiquement ces ligands, permettant aux grappes de fusionner avec juste un peu de pression.
Les pièces de métal fabriquées avec la technique étaient sensiblement plus dures que le métal standard, la recherche a montré. Les pièces d'or, par exemple, étaient deux à quatre fois plus durs que la normale. D'autres propriétés comme la conduction électrique et la réflexion de la lumière étaient pratiquement identiques aux métaux standard, les chercheurs ont trouvé.
Des chercheurs de l'Université Brown ont démontré un moyen de fabriquer des métaux en vrac à partir de blocs de construction de nanoparticules. Pour une nouvelle étude, l'équipe a fabriqué des "pièces" de métal à partir de nanoparticules d'or, argent, palladium et autres métaux. Crédit :Chen lab / Université Brown
Les propriétés optiques des pièces d'or étaient fascinantes, Chen dit, car il y a eu un changement de couleur spectaculaire lorsque les nanoparticules ont été compressées en métal massif.
"En raison de ce qu'on appelle l'effet plasmonique, les nanoparticules d'or sont en fait de couleur noir violacé, " dit Chen. " Mais quand nous avons fait pression, nous voyons ces grappes violacées se transformer soudainement en une couleur or brillante. C'est l'une des façons dont nous savions que nous avions en fait formé de l'or en vrac."
En théorie, Chen dit, la technique pouvait être utilisée pour fabriquer n'importe quel type de métal. En réalité, Chen et son équipe ont montré qu'ils pouvaient fabriquer une forme exotique de métal connue sous le nom de verre métallique. Les verres métalliques sont amorphes, ce qui signifie qu'ils n'ont pas la structure cristalline se répétant régulièrement des métaux normaux. Cela donne lieu à des propriétés remarquables. Les verres métalliques se moulent plus facilement que les métaux traditionnels, peut être beaucoup plus fort et plus résistant aux fissures, et présentent une supraconductivité à basse température.
"Faire du verre métallique à partir d'un seul composant est notoirement difficile à faire, donc la plupart des verres métalliques sont des alliages, ", a déclaré Chen. "Mais nous avons pu commencer avec des nanoparticules de palladium amorphe et utiliser notre technique pour fabriquer un verre métallique au palladium."
Chen dit qu'il espère que la technique pourra un jour être largement utilisée pour les produits commerciaux. Le traitement chimique utilisé sur les nanoclusters est assez simple, et les pressions utilisées pour les presser ensemble sont bien dans la gamme des équipements industriels standard. Chen a breveté la technique et espère continuer à l'étudier.
"Nous pensons qu'il y a beaucoup de potentiel ici, tant pour l'industrie que pour la communauté de la recherche scientifique, " dit Chen.
