Une classe de matériaux qui semblait autrefois pouvoir tout révolutionner, des cellules solaires aux poêles à frire, mais qui est tombée en disgrâce au début des années 2000, pourrait être sur le point de connaître une résurrection commerciale, les résultats d'une équipe de recherche dirigée par l'Université du Michigan suggèrent.

Publié dans Communication Nature , l'étude démontre un moyen de fabriquer des quasi-cristaux beaucoup plus gros qu'auparavant, sans les défauts qui ont tourmenté les fabricants du passé et conduit les quasi-cristaux à être rejetés comme une curiosité intellectuelle.

"L'une des raisons pour lesquelles l'industrie a abandonné les quasi-cristaux est qu'ils sont pleins de défauts, " a déclaré Ashwin Shahani, U-M professeur adjoint de science et ingénierie des matériaux et de génie chimique et un auteur correspondant sur le papier. "Mais nous espérons ramener les quasi-cristaux dans le courant dominant. Et ce travail laisse entendre que cela peut être fait."

quasi-cristaux, qui ont la structure ordonnée mais pas les motifs répétitifs des cristaux ordinaires, peut être fabriqué avec une gamme de propriétés séduisantes. Ils peuvent être ultra durs ou super glissants. Ils peuvent absorber la chaleur et la lumière de manière inhabituelle et présenter des propriétés électriques exotiques, parmi une foule d'autres possibilités.

Mais les fabricants qui ont commercialisé le matériau pour la première fois ont rapidement découvert un problème :de minuscules fissures entre les cristaux, appelés joints de grains, qui invitent à la corrosion, rendant les quasi-cristaux sensibles à la défaillance. Depuis lors, le développement commercial des quasi-cristaux a été en grande partie suspendu.

Mais de nouvelles découvertes de l'équipe de Shahani montrent que, sous certaines conditions, les petits quasicristaux peuvent entrer en collision et se fondre, formant un seul grand cristal sans aucune des imperfections de joint de grain trouvées dans les groupes de cristaux plus petits. Shahani explique que le phénomène a été une surprise lors d'une expérience conçue pour observer la formation du matériau.

"On dirait que les cristaux se guérissent d'eux-mêmes après la collision, transformer un type de défaut en un autre type qui finit par disparaître complètement, " dit-il. " C'est extraordinaire, étant donné que les quasi-cristaux manquent de périodicité.

Les cristaux commencent comme des solides en forme de crayon mesurant une fraction de millimètre, en suspension dans un mélange fondu d'aluminium, cobalt et nickel, que l'équipe peut observer en temps réel et en 3D grâce à la tomographie par rayons X. Au fur et à mesure que le mélange refroidit, les minuscules cristaux se heurtent et se fondent, se transformant finalement en un seul grand quasi-cristal plusieurs fois plus gros que les quasi-cristaux constitutifs.

Après avoir observé le processus au Laboratoire National d'Argonne, l'équipe l'a reproduit virtuellement avec des simulations informatiques. En exécutant chaque simulation dans des conditions légèrement différentes, ils ont pu identifier les conditions exactes dans lesquelles les minuscules cristaux se fondront en de plus gros. Ils ont trouvé, par exemple, que les minuscules cristaux en forme de crayon doivent se faire face dans une certaine plage d'alignement pour entrer en collision et fusionner. Les simulations ont été menées dans le laboratoire de Sharon Glotzer, le John Werner Cahn Distinguished University Professor of Engineering et un auteur correspondant sur le papier.

"C'est passionnant quand les expériences et les simulations peuvent observer les mêmes phénomènes se produisant sur la même durée et les mêmes échelles de temps, " a déclaré Glotzer. " Les simulations peuvent voir les détails du processus de cristallisation que les expériences ne peuvent pas tout à fait voir, et vice versa, de sorte que ce n'est qu'ensemble que nous pouvons pleinement comprendre ce qui se passe."

Bien que la commercialisation de la technologie soit probablement dans des années, les données de simulation pourraient finalement s'avérer utiles pour développer un processus permettant de produire efficacement de grands quasi-cristaux en quantités à l'échelle de la production. Shahani anticipe l'utilisation du frittage, un processus industriel bien connu où les matériaux sont fusionnés en utilisant la chaleur et la pression. C'est un objectif lointain, mais Shahani dit que la nouvelle étude ouvre une nouvelle voie de recherche qui pourrait un jour y arriver.

Pour l'instant, Shahani et Glotzer travaillent ensemble pour mieux comprendre les défauts des quasi-cristaux, y compris comment ils se forment, bouger et évoluer.

L'article s'intitule "Formation d'un seul quasi-cristal lors de la collision de plusieurs grains". L'équipe de recherche comprend également le Brookhaven National Laboratory.