Ils disent que les diamants sont éternels, mais les diamants sont en fait une forme métastable de carbone qui se transformera lentement mais finalement en graphite, une autre forme de carbone. Etre capable de concevoir et de synthétiser d'autres vivaces, les matériaux thermodynamiquement métastables pourraient être une mine d'or potentielle pour les concepteurs de matériaux, mais jusqu'à maintenant, les scientifiques n'en avaient pas une compréhension rationnelle.

Aujourd'hui, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont publié une nouvelle étude qui, pour la première fois, quantifie explicitement l'échelle thermodynamique de la métastabilité pour près de 30, 000 matériaux connus. Cela ouvre la voie à la conception et à la fabrication de matériaux prometteurs de nouvelle génération à utiliser dans tous les domaines, des semi-conducteurs aux produits pharmaceutiques en passant par les aciers.

"Il y a une grande quantité de possibilité dans l'espace des matériaux métastables, mais quand les expérimentateurs vont au labo pour les fabriquer, le processus est très heuristique :il s'agit d'essais et d'erreurs, " a déclaré Wenhao Sun, chercheur au Berkeley Lab. " Ce que nous avons fait dans cette recherche est de comprendre les phases métastables qui ont été faites, afin que nous puissions mieux comprendre quelles phases métastables peuvent être réalisées."

La recherche a été publiée la semaine dernière dans la revue Avancées scientifiques dans un article intitulé, "L'échelle thermodynamique de la métastabilité cristalline inorganique." Soleil, un stagiaire postdoctoral travaillant avec Gerbrand Ceder dans la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, était l'auteur principal, et Ceder était l'auteur correspondant.

L'étude a impliqué l'exploration de données à grande échelle du projet Materials, qui est une base de données de matériaux de type Google qui utilise des superordinateurs pour calculer des propriétés basées sur des cadres de mécanique quantique de premier principe. Le Projet Matériaux, dirigé par Kristin Persson, chercheuse au Berkeley Lab, qui était également co-auteur du nouvel article, a calculé des propriétés de plus de 67, 000 matériaux connus et prédits dans le but d'accélérer la découverte et l'innovation des matériaux.

« La conception et le développement de matériaux sont vraiment un processus lent, mais ils sont maintenant considérablement accélérés par le fait que nous pouvons calculer les propriétés des composés avant qu'ils ne soient fabriqués, " a déclaré Ceder. " Bien que nous ne comprenions toujours pas complètement quels matériaux peuvent être fabriqués et comment, cartographier la thermodynamique sous-jacente est une première étape importante."

Combler un fossé dans le paradigme fondamental de la science des matériaux

Matériaux métastables, ou des matériaux qui se transforment en un autre état sur une longue période de temps, sont omniprésents dans la nature et la technologie et ont souvent des propriétés supérieures. Chocolat, par exemple, est métastable, avec un point de fusion plus bas et une meilleure texture que le chocolat stable. Il existe également des aciers métastables qui ont à la fois ténacité et résistance, propriétés que l'on ne trouve normalement pas simultanément dans la plupart des aciers stables.

Les scientifiques aimeraient développer de nouveaux matériaux avec certaines propriétés pour diverses applications :un métal ultra-résistant mais léger pour les véhicules, par exemple, mais pour fabriquer tout nouveau matériau avec les propriétés souhaitées, les scientifiques des matériaux doivent comprendre comment la synthèse du matériau influence sa structure, et ensuite comment la structure affecte à son tour ses propriétés et ses performances. Cette, Sun explique, est le paradigme fondamental de la science des matériaux.

"Le Materials Project nous a permis de lier la structure d'un matériau à ses propriétés, " Ceder a déclaré. "Ce que nous avons fait ici est la première étape quantitative dans la compréhension des relations synthèse-structure."

Sun propose une analogie avec la nourriture :« Si le Projet Matériaux était un livre de cuisine, ce serait comme une base de données d'ingrédients et de plats délicieux mais pas de recettes. Concevoir des recettes est difficile parce que les scientifiques comprennent mal pourquoi les phases métastables apparaissent pendant la « cuisson ». Il y a des applications où un matériau métastable est meilleur, et d'autres où les phases stables sont meilleures. Cette étude établit une base pour étudier comment utiliser les ordinateurs pour prédire des recettes. »

Proposer un nouveau principe de métastabilité

Précédemment, les scientifiques avaient des nombres thermodynamiques inférieurs à 1, 000 composés métastables. "Il est très difficile d'étudier la métastabilité sur des matériaux connus car il n'y a pas beaucoup de données en termes de calorimétrie, qui mesure les nombres thermodynamiques, " dit Soleil.

Quoi de plus, les matériaux métastables se présentent sous de nombreuses formes, allant des alliages métalliques et minéraux à la céramique, sels, et plus, rendant difficile une enquête complète. "Ce que nous avons fait, c'est de l'exploration de données à grande échelle sur près de 30, 000 matériaux observés pour mesurer explicitement l'échelle thermodynamique de la métastabilité, en fonction d'une grande variété de paramètres, comme la chimie et la composition, que les chimistes inorganiques et les scientifiques des matériaux peuvent utiliser pour développer leur intuition, " dit Soleil.

Sur la base de leurs observations, les chercheurs sont allés plus loin, pour proposer un nouveau principe qu'ils appellent « la métastabilité résiduelle » pour expliquer quels matériaux métastables peuvent être synthétisés et lesquels ne le peuvent pas. "Nous proposons essentiellement des critères de recherche¬? nous identifions quels matériaux cristallins peuvent être fabriqués, et éventuellement dans quelles conditions elles peuvent être faites, " Sun a déclaré. "Nous espérons que cela peut être une façon plus raffinée de réfléchir à la structure cristalline que la nature choisit lorsqu'un matériau se forme."