Lorsque les verres métalliques sont soumis à des contraintes mécaniques, ils peuvent rapidement libérer leur énergie de manière « fragile », c'est-à-dire qu'ils se cassent de manière inattendue, sans signes évidents de déformation ou d'avertissement. Ce comportement contraste avec de nombreux autres matériaux tels que l'acier ou le bois qui se déforment « plastiquement », où le matériau change de forme de façon permanente, avant de se briser.
Comprendre comment l'énergie est libérée dans les verres métalliques constitue un défi majeur en science des matériaux, en partie parce que les structures de ces matériaux sont extraordinairement complexes. Contrairement aux métaux traditionnels qui possèdent des structures cristallines régulières, les verres métalliques ont une structure désordonnée, semblable à un liquide, souvent appelée « liquide gelé ».
Le groupe dirigé par Matthew L. Wallach, doctorant, et Juan de Pablo, professeur Irene et Frederic Posvar de génie chimique et biologique, a conçu une technique de modélisation informatique qui capture cette structure désordonnée de verres métalliques à un niveau de détail qui n'a pas été possible jusqu'à présent.
Dans le modèle, les atomes individuels sont représentés par des sphères et l'énergie potentielle du système (l'énergie qui résulte de l'interaction entre les atomes) est calculée pour chaque configuration atomique possible. Le programme informatique détermine ensuite la séquence de mouvements atomiques qui conduit à l’énergie potentielle la plus basse, correspondant à une situation dans laquelle la structure a atteint sa configuration d’équilibre la plus stable.
Cette structure n'est souvent pas celle que possède réellement le verre métallique, car le matériau peut être piégé dans un minimum d'énergie métastable - une « colline » d'énergie qui n'est pas le minimum global (la stabilité globale signifie que le système se détendra toujours à cette condition). à temps, avec suffisamment d'énergie). Les états métastables résultent d’effets concurrents au niveau atomique. Par exemple, dans les verres métalliques, les atomes individuels préfèrent généralement être aussi éloignés que possible les uns des autres, mais les contraintes géométriques peuvent forcer les atomes à être plus rapprochés qu’idéalement.
La métastabilité est un concept crucial dans la conception des matériaux. Il décrit la différence entre l’idéal et le réel, et sa compréhension est essentielle à la conception de nouveaux matériaux. Par exemple, les états métastables peuvent être utilisés pour concevoir des matériaux plus solides et plus résistants, car le matériau doit surmonter une barrière énergétique plus élevée pour se « décompresser » et modifier sa configuration atomique.
L'étude actuelle révèle que c'est le « décompression » des régions à l'échelle nanométrique dans la structure amorphe en raison de la force appliquée qui permet finalement au matériau de se détendre jusqu'à sa configuration idéale et de libérer son énergie. Le modèle informatique prédit l'emplacement et les caractéristiques de ces défauts à l'échelle nanométrique pour différents types de métaux amorphes, ainsi que la quantité d'énergie libérée lors de la fracture.
Le modèle du groupe identifie également les chemins les plus probables de propagation des fissures à travers le verre et les endroits où ces fissures sont les plus susceptibles de se terminer. Ces informations pourraient aider les scientifiques et les ingénieurs à éviter les fractures fragiles et à concevoir des matériaux qui échouent de manière plus contrôlée ou plus avantageuse, améliorant ainsi les performances et la sécurité de ces matériaux polyvalents.
L'étude intitulée « Nanoscale Plastic Events Control Fracture in Metallic Glasses » a été publiée dans la revue Physical Review Letters le 19 novembre 2018.
