Des forgerons forgeant le fer aux artisans soufflant le verre, Depuis des siècles, les humains modifient les propriétés des matériaux pour fabriquer de meilleurs outils, des fers à cheval et des épées en fer aux bocaux en verre et aux flacons de médicaments.

Dans la vie moderne, de nouveaux matériaux sont créés pour améliorer les articles d'aujourd'hui, comme de l'acier plus résistant pour les gratte-ciel et des semi-conducteurs plus fiables pour les téléphones portables.

Maintenant, des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie (DOE) ont découvert une nouvelle approche pour détailler la formation de ces changements matériels à l'échelle atomique et en temps quasi réel, une étape importante qui pourrait aider à concevoir de nouveaux matériaux meilleurs et plus résistants.

Dans une étude publiée le 16 janvier dans Matériaux naturels , chercheurs de la source avancée de photons d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, révèlent qu'ils ont capturé - pour la première fois - des images de la création de défauts structurels dans le palladium lorsque le métal est exposé à l'hydrogène.

Cette capacité d'imagerie aidera les chercheurs à valider des modèles qui prédisent le comportement des matériaux et la façon dont ils forment des défauts. L'ingénierie des défauts est la pratique consistant à créer intentionnellement des défauts dans un matériau afin de modifier les propriétés du matériau. Cette connaissance est la clé pour une meilleure ingénierie, des matériaux plus solides et plus fiables pour les bâtiments, semi-conducteurs, piles, dispositifs technologiques et de nombreux autres articles et outils.

"L'ingénierie des défauts est basée sur l'idée que vous pouvez prendre quelque chose dont vous connaissez déjà les propriétés et, en mettant en défauts ou imperfections, concevoir des choses avec des propriétés améliorées, " a déclaré le savant Argonne Andrew Ulvestad, l'un des auteurs de l'étude. "La pratique s'applique non seulement aux métaux mais à tout matériau qui a une structure cristalline, comme ceux que l'on trouve dans les cellules solaires et les cathodes de batterie.

L'ingénierie des défauts est utilisée pour optimiser la conception des matériaux dans divers domaines, mais il est le plus souvent associé au développement des semi-conducteurs. Matériaux semi-conducteurs, comme le silicium, sont utilisés comme composants électriques ; ils constituent la base de la plupart de nos appareils électroniques modernes, y compris les ordinateurs portables et les téléphones portables.

Dans un processus connu sous le nom de « dopage, " Les fabricants créent des défauts dans ces matériaux en ajoutant des impuretés afin de manipuler leurs propriétés électriques pour diverses utilisations technologiques.

Alors que les fabricants savent qu'ils peuvent modifier les propriétés de divers matériaux pour obtenir les attributs qu'ils souhaitent, les processus qui régissent ces changements ne sont pas toujours clairs.

Pour mieux comprendre ces processus, Les chercheurs d'Argonne se sont concentrés spécifiquement sur les défauts se formant à l'échelle nanométrique. Défauts, les interfaces et les fluctuations à ce très petit niveau peuvent fournir un aperçu critique des fonctionnalités des matériaux, tels que leur thermique, propriétés électroniques et mécaniques, à plus grande échelle.

Pour capturer la formation de défauts, l'équipe d'Argonne a prélevé un échantillon nanostructuré de palladium et l'a injecté, ou infusé, avec de l'hydrogène à haute pression. À la fois, ils ont exposé l'échantillon à de puissants rayons X à la source avancée de photons.

En frappant le cristal de palladium, les rayons X diffusés, et leur schéma de dispersion a été capturé par un détecteur et utilisé pour calculer les changements de position des atomes dans la structure du palladium. Essentiellement, ce processus a permis aux chercheurs de « voir » les déformations au sein du matériau.

"À certains égards, nous avons le coup d'un sur un million, parce que les défauts se produisant dans le cristal ne se produisent pas toujours en raison de la nature complexe du processus, " a déclaré le physicien d'Argonne Ross Harder, un autre auteur de l'étude.

Les changements montrés dans les scans illustrent les nombreuses façons dont les défauts peuvent altérer les propriétés des matériaux et comment ils répondent aux stimuli externes. Par exemple, les défauts qui se sont formés ont modifié les pressions auxquelles le palladium pouvait stocker et libérer de l'hydrogène, connaissances qui pourraient être utiles pour le stockage de l'hydrogène, applications de détection et de purification, les chercheurs ont dit.

Les approches d'ingénierie des défauts sont déjà utilisées pour étudier d'autres systèmes, y compris les nanoparticules de cathode de batterie. Cependant, l'étude menée par Ulvestad et Harder est la première à capturer la formation de défauts au fur et à mesure qu'ils se produisent.

"Ce que nous avons fait, c'est créer une feuille de route pour d'autres chercheurs. Nous leur avons montré un moyen de modéliser ce système et des systèmes qui ont une dynamique similaire, " a déclaré Ulvestad.