La plupart des métaux et semi-conducteurs, de l'acier dans une lame de couteau au silicium dans un panneau solaire, sont constitués de nombreux petits grains cristallins. La façon dont ces grains se rencontrent sur leurs bords peut avoir un impact majeur sur les propriétés du solide, y compris la résistance mécanique, conductivité électrique, propriétés thermiques, la flexibilité, etc.

Lorsque les joints entre les grains sont d'un type particulier, appelée frontière jumelle cohérente (CTB), cela ajoute des propriétés utiles à certains matériaux, surtout à l'échelle nanométrique. Il augmente leur force, rendre le matériau beaucoup plus résistant tout en préservant sa capacité à se déformer, contrairement à la plupart des autres processus qui ajoutent de la force. Maintenant, les chercheurs ont découvert un nouveau mécanisme de déformation de ces frontières cristallines jumelles, ce qui pourrait aider les ingénieurs à comprendre comment utiliser plus précisément les CTB pour ajuster les propriétés de certains matériaux.

Contrairement aux attentes, il s'avère que les grains cristallins d'un matériau peuvent parfois glisser le long de ces CTB. La nouvelle découverte est décrite dans un article publié cette semaine dans la revue Communication Nature par Ming Dao, chercheur principal au Département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT ; Subra Suresh, le professeur émérite d'ingénierie Vannevar Bush et président désigné de l'Université technologique de Nanyang à Singapour; Ju Li, le professeur Battelle Energy Alliance au département des sciences et de l'ingénierie nucléaires du MIT; et sept autres au MIT et ailleurs.

Alors que chaque grain de cristal est composé d'un réseau tridimensionnel ordonné d'atomes dans une structure en treillis, Les CTB sont des lieux où, des deux côtés d'une frontière, le treillis forme une image miroir de la structure de l'autre côté. Chaque atome de chaque côté de la frontière jumelle cohérente correspond exactement à un atome dans un emplacement à symétrie miroir de l'autre côté. De nombreuses recherches ces dernières années ont montré que les réseaux qui incorporent des CTB à l'échelle nanométrique peuvent avoir une résistance beaucoup plus grande que le même matériau avec des joints de grains aléatoires, sans perdre une autre propriété utile appelée ductilité, qui décrit la capacité d'un matériau à être étiré.

Certaines recherches antérieures ont suggéré que ces frontières de cristaux jumeaux sont incapables de glisser en raison du nombre limité de défauts. En effet, aucune observation expérimentale d'un tel glissement n'a été rapportée auparavant à température ambiante. Maintenant, une combinaison d'analyses théoriques et de travaux expérimentaux rapportés dans le Communication Nature papier a montré qu'en fait, sous certains types de charges, ces grains peuvent glisser le long de la frontière. La compréhension de cette propriété sera importante pour développer des méthodes d'ingénierie des propriétés des matériaux afin de les optimiser pour des applications spécifiques, dit Dao.

"Beaucoup de matériaux nanocristallins à haute résistance [avec des tailles de grains mesurées en moins de 100 nanomètres] ont de faibles propriétés de ductilité et de fatigue, et l'échec se développe assez rapidement avec peu d'étirement, " dit-il. A l'inverse, dans les métaux qui incorporent des CTB, qui "augmente la résistance et préserve la bonne ductilité". Mais comprendre comment ces matériaux se comportent lorsqu'ils sont soumis à diverses sollicitations mécaniques est important afin de pouvoir les exploiter pour des usages structurels. Pour une chose, cela signifie que la façon dont le matériau se déforme est assez inégale :les distorsions dans la direction des plans des CTB peuvent se produire beaucoup plus facilement que dans d'autres directions.

L'expérience a été réalisée avec du cuivre, mais les résultats devraient s'appliquer à d'autres métaux avec des structures cristallines similaires, comme l'or, argent, et platine. Ces matériaux sont largement utilisés dans les appareils électroniques, dit Dao. « Si vous concevez ces matériaux » avec des structures dans la gamme de tailles explorée dans cet ouvrage, qui implique des caractéristiques inférieures à quelques centaines de nanomètres de diamètre, « vous devez être conscient de ces types de modes de déformation. »

La glisse, une fois compris, peut être utilisé pour des avantages significatifs. Par exemple, les chercheurs pourraient concevoir des nanostructures extrêmement solides sur la base de la dépendance à l'orientation connue ; ou en connaissant le type et la direction de la force nécessaire pour initier le glissement, il serait peut-être possible de concevoir un dispositif qui pourrait être activé, comme une alarme, en réponse à un niveau de stress spécifique.

"Cette étude a confirmé le glissement du CTB, ce qui était auparavant considéré comme impossible, et ses conditions de conduite particulières, " dit Zhiwei Shan, co-auteur principal et doyen de l'École des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université Xi'an Jiao Tong en Chine. « Beaucoup de choses pourraient devenir possibles lorsque des conditions d'activation ou d'activation auparavant inconnues seraient découvertes. »

"Ce travail a identifié à la fois par des expériences systématiques et des analyses l'apparition d'une caractéristique mécanique importante qui ne se trouve que dans certains types particuliers d'interfaces et à l'échelle nanométrique. Étant donné que ce phénomène peut potentiellement être applicable à une large gamme de matériaux cristallins, on peut envisager de nouvelles approches de conception de matériaux impliquant des nanostructures pour optimiser une variété de caractéristiques mécaniques et fonctionnelles, " dit Suresh.

"Cette découverte pourrait changer fondamentalement notre compréhension de la déformation plastique dans les métaux nanojumelés et devrait être d'un large intérêt pour la communauté de recherche sur les matériaux, " dit Huajian Gao, le professeur Walter H. Annenberg d'ingénierie à l'Université Brown, qui n'a pas participé à ce travail.

Gao ajoute que « les CTB sont la clé de la conception de nouveaux matériaux nanojumelés dotés de propriétés mécaniques et physiques supérieures telles que la résistance, ductilité, dureté, conductivité électrique, et la stabilité thermique. Cet article fait considérablement progresser nos connaissances dans ce domaine en révélant le glissement à grande échelle des CTB. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.