L’équipe, dirigée par le professeur de nano-ingénierie Michael Demkowicz, a publié ses résultats le 10 octobre 2022 dans la revue Nature Materials.
"Si nous comprenons les origines de la fracture mécanique, nous pouvons concevoir des moyens de mettre un terme à la défaillance à ses débuts", a déclaré Demkowicz.
Demkowicz et ses collaborateurs ont étudié comment les fractures commencent au niveau de défauts cristallins à l'échelle nanométrique sur des surfaces solides. Une fois initiées, ces fissures peuvent se développer avec peu ou pas de force appliquée sur le matériau, rendant les dispositifs inutiles, voire dangereux.
L’équipe a observé que le processus de fracture au niveau du défaut cristallin est très dynamique et implique des changements dans la liaison atomique sous-jacente. Ils ont effectué des observations avec un microscope à effet tunnel de pointe qui combine des capacités cryogéniques à basse température, une déformation mécanique et une capacité unique à sonder les changements dans la structure électronique du matériau à l’échelle atomique.
"Notre sonde à balayage combine un ensemble de méthodes expérimentales pour surveiller le comportement mécanique et les phénomènes électroniques à l'échelle nanométrique dans des conditions extrêmes, ce qui était auparavant impossible", a déclaré Demkowicz.
Grâce à la visualisation directe du comportement de fracture et des propriétés électroniques, l’équipe a lié les processus de fracture à la nature quantique de la structure atomique sous-jacente.
En modifiant chimiquement les liaisons à l'extrémité de la fissure à l'échelle nanométrique, l'équipe a pu empêcher la propagation de la fissure, améliorant ainsi la ténacité du matériau.
Les chercheurs suggèrent que les résultats pourraient fournir de nouvelles orientations pour la conception et le développement de matériaux et de dispositifs mécaniquement robustes utilisés dans un large éventail d'applications, depuis les avions jusqu'aux implants biomédicaux et aux appareils électroniques.
"Cette découverte met en évidence le fait que les origines de la fracture sont très dynamiques et nous permet d'envisager des voies d'ingénierie pour des matériaux et des géométries de dispositifs résistants à la rupture", a déclaré Demkowicz.
Référence :
Kaitlin O'Brien, Benjamin J. McEnaney, Michael J. Cawkwell, James Ciston et Michael J. Demkowicz, « Suppression de la fracture à l'échelle nanométrique par contrôle chimique de la structure électronique du bout de fissure », Nature Materials (10 octobre 2022). DOI :10.1038/s41563-022-01334-0.
