Les chercheurs, dirigés par Julia Greer, professeure en science et ingénierie des matériaux, ont découvert qu'en ajoutant un matériau secondaire qui fond facilement à la surface de films minces, ils pouvaient empêcher la formation et la propagation des fissures.
Dans un article publié dans le numéro du 15 juin de Nature Communications, Greer et ses collègues décrivent comment l'ajout d'une couche ultrafine de gallium à l'or rend les surfaces en or beaucoup plus résistantes à la fracture.
"Il s'agit de contrôler la défaillance des matériaux aux plus petites échelles", a déclaré Greer, qui est également directeur du laboratoire de recherche sur les matériaux (MRL) de l'UC San Diego. "Nous utilisons le comportement de fusion du gallium pour inhiber la nucléation des fissures, et comme il s'agit d'une couche conforme, elle fonctionne dans différentes géométries et sur une gamme de tailles de fissures."
Dans la plupart des matériaux techniques, les fissures commencent au niveau des défauts et se développent sous la charge jusqu'à ce que le matériau se brise. Selon Greer, cette image conventionnelle de la fracture est incomplète. Elle suggère que les fissures proviennent non seulement de défauts à plus grande échelle, mais également de rugosités de surface à plus petite échelle.
"On pensait traditionnellement que la fracture se produisait à l'échelle microscopique ou à une échelle plus grande", a déclaré Greer. « Mais les fissures sont créées par des processus à l’échelle atomique. Nous tenons compte de ces processus, qui sont normalement ignorés.
Les chercheurs ont testé leur hypothèse en utilisant de minces films d’or déposés sur un substrat de verre. Les films ont ensuite été soumis à une charge de traction et l’équipe a observé le comportement à la rupture des films par microscopie électronique.
Ils ont constaté que les films d’or avec une couche de gallium présentaient une ténacité à la rupture nettement supérieure à celle des films d’or pur. La couche de gallium empêche la formation de fissures, même lorsque les films d'or sont soumis à des charges de traction élevées.
Les résultats de l’équipe suggèrent que la résistance à la rupture d’un matériau peut être considérablement améliorée en ajoutant simplement une couche de matériau qui fond à une température plus basse que le matériau lui-même. Cette approche pourrait être utilisée pour améliorer la fiabilité et la durabilité d’un large éventail de matériaux et de structures, depuis les composants d’avions jusqu’aux appareils électroniques.
"Nous parlons de revêtements minces - moins d'un millionième de mètre - mais ils ont un impact profond sur le comportement à la rupture", a déclaré Greer. "Cette idée a des implications pour la fabrication et la conception des matériaux."
En plus de Greer, l’équipe de recherche comprenait les étudiants diplômés du MRL, Xiaoyue Ma et Qiang Yu. La recherche a été soutenue par la National Science Foundation et le Bureau de la recherche scientifique de l’Air Force.
L'industrie aérospatiale utilise actuellement des rivets pour assembler des feuilles de métal dans les structures des avions. Cependant, l’utilisation de rivets crée des concentrations de contraintes pouvant entraîner des fissures et éventuellement une défaillance. L’ajout d’une fine couche de gallium à la surface de ces feuilles pourrait contribuer à inhiber la formation de fissures et à améliorer la sécurité et la fiabilité globales des structures des avions.
Les appareils électroniques sont également susceptibles de se fissurer, en particulier à l'échelle nanométrique. L’utilisation d’une couche de gallium pourrait contribuer à empêcher la formation de fissures dans ces dispositifs, améliorant ainsi leur fiabilité et leurs performances.
La découverte de Greer et de son équipe a des implications importantes pour les industries aérospatiale et électronique, ainsi que pour d'autres industries qui dépendent des couches minces. En ajoutant un matériau secondaire qui fond facilement à la surface des films minces, les ingénieurs peuvent améliorer considérablement la résistance à la rupture et la fiabilité de ces matériaux.
