La haute pression pourrait être la clé pour fabriquer des mélanges de métaux avancés plus légers, plus fort et plus résistant à la chaleur que les alliages conventionnels, suggère une nouvelle étude menée par des chercheurs de Stanford.

Les humains mélangent des métaux pour créer des alliages aux propriétés uniques depuis des milliers d'années. Mais les alliages traditionnels se composent généralement d'un ou deux métaux dominants avec une pincée d'autres métaux ou éléments. Les exemples classiques incluent l'ajout d'étain au cuivre pour faire du bronze, ou du carbone au fer pour créer de l'acier.

En revanche, Les alliages "à haute entropie" sont constitués de plusieurs métaux mélangés en quantités approximativement égales. Le résultat est des alliages plus solides et plus légers qui sont plus résistants à la chaleur, corrosion et rayonnement, et qui pourrait même posséder une mécanique unique, propriétés magnétiques ou électriques.

Malgré l'intérêt important des scientifiques des matériaux, les alliages à haute entropie doivent encore passer du laboratoire aux produits réels. L'une des principales raisons est que les scientifiques n'ont pas encore trouvé comment contrôler précisément l'arrangement, ou structure d'emballage, des atomes constitutifs. La disposition des atomes d'un alliage peut influencer de manière significative ses propriétés, aider à déterminer, par exemple, qu'il soit rigide ou ductile, fort ou cassant.

"Certains des alliages les plus utiles sont constitués d'atomes de métal disposés dans une combinaison de structures d'emballage, " a déclaré le premier auteur de l'étude, Cameron Tracy, chercheur postdoctoral à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement et le Centre pour la sécurité et la coopération internationales (CISAC).

Une nouvelle structure

À ce jour, les scientifiques n'ont pu recréer que deux types de structures de garnissage avec la plupart des alliages à haute entropie, appelé cubique centré et cubique à faces centrées. Un tiers, structure d'emballage commune a largement échappé aux efforts des scientifiques - jusqu'à maintenant.

Dans la nouvelle étude, publié en ligne dans la revue Communication Nature , Tracy et ses collègues rapportent qu'ils ont réussi à créer un alliage à haute entropie, fait de métaux communs et facilement disponibles, avec une structure dite hexagonale compacte (HCP).

"Un petit nombre d'alliages à haute entropie avec la structure HCP ont été fabriqués au cours des dernières années, mais ils contiennent beaucoup d'éléments exotiques tels que les métaux alcalins et les métaux des terres rares, " a déclaré Tracy. " Ce que nous avons réussi à faire est de fabriquer un alliage HCP à haute entropie à partir de métaux communs qui sont généralement utilisés dans les applications d'ingénierie. "

L'astuce, il semble, est la haute pression. Tracy et ses collègues ont utilisé un instrument appelé cellule à enclume de diamant pour soumettre de minuscules échantillons d'un alliage à haute entropie à des pressions pouvant atteindre 55 gigapascals - à peu près la pression que l'on rencontrerait dans le manteau terrestre. "La seule fois où vous verriez naturellement cette pression sur la surface de la Terre, c'est lors d'un très gros impact de météorite, " dit Tracy.

La haute pression semble déclencher une transformation dans l'alliage à haute entropie utilisé par l'équipe, qui était composé de manganèse, cobalt, fer à repasser, nickel et chrome. "Imaginez les atomes comme une couche de balles de ping-pong sur une table, puis en ajoutant plus de couches sur le dessus. Cela peut former une structure d'emballage cubique à face centrée. Mais si vous décalez légèrement certains calques par rapport au premier, vous obtiendriez une structure hexagonale compacte, " dit Tracy.

Les scientifiques ont émis l'hypothèse que la raison pour laquelle les alliages à haute entropie ne subissent pas naturellement ce changement est que l'interaction des forces magnétiques entre les atomes métalliques l'empêche de se produire. Mais la haute pression semble perturber les interactions magnétiques.

« Quand vous mettez un matériau sous pression, vous rapprochez tous les atomes les uns des autres. Souvent, quand tu compresses quelque chose, il devient moins magnétique, " dit Tracy. " C'est ce qui semble se passer ici :la compression de l'alliage à haute entropie le rend non magnétique ou presque non magnétique, et une phase HCP est soudainement possible."

Configuration stable

De façon intéressante, l'alliage conserve une structure HCP même après la suppression de la pression. "La plupart du temps, quand tu enlèves la pression, les atomes reviennent à leur configuration précédente. Mais ça ne se passe pas ici, et c'est vraiment surprenant, " a déclaré Wendy Mao, co-auteur de l'étude, professeur agrégé de sciences géologiques à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement.

L'équipe a également découvert qu'en augmentant lentement la pression, ils pourraient augmenter la quantité de structure compacte hexagonale dans leur alliage. "Cela suggère qu'il est possible d'adapter le matériau pour nous donner exactement les propriétés mécaniques que nous voulons pour une application particulière, " dit Tracy.

Par exemple, les moteurs à combustion et les centrales électriques fonctionnent plus efficacement à des températures élevées, mais les alliages conventionnels ont tendance à ne pas bien fonctionner dans des conditions extrêmes car leurs atomes commencent à se déplacer et deviennent plus désordonnés.

"Alliages à haute entropie, cependant, possèdent déjà un degré élevé de désordre en raison de leurs natures fortement entremêlées, " Tracy a dit. " En conséquence, ils ont des propriétés mécaniques qui sont excellentes à basse température et restent excellentes à haute température."

À l'avenir, les scientifiques des matériaux peuvent être en mesure d'affiner encore plus les propriétés des alliages à haute entropie en mélangeant différents métaux et éléments ensemble. "Il y a une énorme partie du tableau périodique et tant de permutations à explorer, " dit Mao.