La science des matériaux est un domaine auquel Jason Trelewicz s'intéresse depuis son plus jeune âge, quand son père, ingénieur, l'emmenait travailler. Dans le laboratoire des matériaux sur le lieu de travail de son père, Trelewicz utiliserait des microscopes optiques pour zoomer sur les surfaces matérielles, intrigué par toutes les caractéristiques distinctes qu'il verrait lorsque la lumière interagit avec différents échantillons.

Maintenant, Trelewicz, professeur adjoint au Département des sciences des matériaux et du génie chimique du Collège d'ingénierie et des sciences appliquées, avec une nomination conjointe à l'Institute for Advanced Computational Science de l'Université Stony Brook et chercheur principal du Laboratoire de nanostructures métalliques d'ingénierie, profite de la des grossissements beaucoup plus élevés des microscopes électroniques pour voir de minuscules nanostructures dans les moindres détails et apprendre ce qui se passe lorsqu'elles sont exposées à la chaleur, radiation, et les forces mécaniques. En particulier, Trelewicz s'intéresse aux alliages métalliques nanostructurés (métaux mélangés à d'autres éléments) qui incorporent des caractéristiques de taille nanométrique dans des matériaux classiques pour améliorer leurs performances. Les informations recueillies à partir des études de microscopie électronique l'aident à comprendre les interactions entre les caractéristiques structurelles et chimiques à l'échelle nanométrique. Cette compréhension peut ensuite être utilisée pour régler les propriétés des matériaux à utiliser dans tous les domaines, des composants aérospatiaux et automobiles à l'électronique grand public et aux réacteurs nucléaires.

Depuis 2012, quand il est arrivé à l'Université Stony Brook, Trelewicz a utilisé les microscopes électroniques et le cluster de calcul à haute performance (HPC) du Center for Functional Nanomaterials (CFN) - une installation utilisateur du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) au Brookhaven National Laboratory - pour effectuer ses recherches.

"À l'époque, Je cherchais des moyens d'appliquer mon idée de stabilisation des nanostructures dans les métaux à un problème orienté application, " a déclaré Trelewicz. " Je m'intéresse depuis longtemps aux technologies de l'énergie nucléaire, d'abord lire sur la fusion à l'école primaire. L'idée de recréer les processus responsables de l'énergie que nous recevons du soleil ici sur terre était captivante, et alimenté mon intérêt pour l'énergie nucléaire tout au long de ma carrière universitaire. Bien que nous soyons encore très loin d'un réacteur à fusion qui génère de l'électricité, une grande équipe internationale sur un projet en construction en France appelé ITER travaille à démontrer une réaction de fusion prolongée à grande échelle."

Matériaux face au plasma pour réacteurs à fusion

La fusion nucléaire - la réaction dans laquelle les noyaux atomiques entrent en collision - pourrait fournir un approvisionnement presque illimité en énergie propre, comme celle produite naturellement par le soleil en fusionnant des noyaux d'hydrogène en atomes d'hélium. Exploiter cette énergie sans carbone dans les réacteurs nécessite de générer et d'entretenir un plasma, un gaz ionisé, aux températures très élevées auxquelles se produit la fusion (environ six fois plus chaude que le noyau solaire) tout en la confinant à l'aide de champs magnétiques. Parmi les nombreux défis auxquels sont actuellement confrontées les démonstrations de réacteurs à fusion, l'un des intérêts particuliers de Trelewicz est la création de matériaux viables pour construire un réacteur.

« Les formidables défis des matériaux pour la fusion sont là où j'ai vu une opportunité pour mes recherches :développer des matériaux qui peuvent survivre à l'intérieur du réacteur de fusion, où le plasma va générer des flux de chaleur élevés, fortes contraintes thermiques, et des flux élevés de particules et de neutrons, " a déclaré Trelewicz. " Les conditions de fonctionnement dans cet environnement sont parmi les plus difficiles dans lesquelles on pourrait s'attendre à ce qu'un matériau fonctionne. "

Un candidat principal pour un tel "matériau face au plasma" est le tungstène, en raison de son point de fusion élevé - le plus élevé parmi les métaux sous forme pure - et de son faible rendement de pulvérisation (nombre d'atomes éjectés par les ions énergétiques du plasma). Cependant, la stabilité du tungstène contre la recristallisation, résistance à l'oxydation, tolérance aux radiations à long terme, et les performances mécaniques sont problématiques.

Trelewicz pense que la conception d'alliages de tungstène avec des nanostructures précisément adaptées pourrait être un moyen de surmonter ces problèmes. En août, il a reçu 750 $, 000 bourse de cinq ans du programme de recherche en début de carrière du DOE pour développer des alliages de tungstène nanocristallins stables capables de résister à l'environnement exigeant d'un réacteur à fusion. Ses recherches combinent des simulations qui modélisent les interactions atomiques et des expériences impliquant une exposition à l'irradiation ionique en temps réel et des tests mécaniques pour comprendre les mécanismes fondamentaux responsables de la stabilité thermique des alliages, tolérance aux radiations et performances mécaniques. Les enseignements de cette recherche éclaireront la conception d'alliages plus résistants pour les applications de fusion.

En plus des ressources informatiques qu'ils utilisent dans leur établissement d'origine, Trelewicz et son groupe de laboratoire utilisent le cluster HPC du CFN et ceux d'autres installations du DOE, comme Titan à Oak Ridge Leadership Computing Facility (une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science au Oak Ridge National Laboratory) - pour effectuer des simulations atomistiques à grande échelle dans le cadre du projet.

"Les échelles de longueur des structures que nous voulons concevoir dans nos matériaux sont de l'ordre de quelques nanomètres à 100 nanomètres, et une seule simulation peut impliquer jusqu'à 10 millions d'atomes, " a déclaré Trelewicz. " En utilisant des clusters HPC, nous pouvons construire un système atome par atome, représentatif de la structure que nous aimerions explorer expérimentalement, et exécuter des simulations pour étudier la réponse de ce système sous divers stimuli externes. Par exemple, nous pouvons tirer un atome de haute énergie dans le système et observer ce qui arrive au matériau et comment il évolue, des centaines ou des milliers de fois. Une fois que les dommages se sont accumulés dans la structure, nous pouvons simuler des forces thermiques et mécaniques pour comprendre comment la structure des défauts affecte d'autres comportements."

Ces simulations informent les structures et les chimies des alliages expérimentaux, que Trelewicz et ses étudiants fabriquent à l'Université de Stony Brook grâce à un broyage à haute énergie. Pour caractériser la structure nanométrique et la distribution chimique des alliages fabriqués, ils utilisent abondamment les installations de microscopie du CFN, y compris les microscopes électroniques à balayage, microscopes électroniques à transmission, et les microscopes électroniques à transmission à balayage. L'imagerie est réalisée à haute résolution et souvent combinée à un chauffage au sein du microscope pour examiner en temps réel comment les structures évoluent avec la température. Des expériences sont également menées dans d'autres laboratoires nationaux du DOE, comme Sandia grâce à une collaboration avec le scientifique des matériaux Khalid Hattar du Ion Beam Laboratory. Ici, les étudiants du groupe de recherche de Trelewicz irradient simultanément les alliages fabriqués avec un faisceau d'ions et les imagent au microscope électronique pendant plusieurs jours.

"Bien que ces dommages ne se comparent pas à ce que le matériau subirait dans un réacteur, il fournit un point de départ pour évaluer si oui ou non le matériau technique pourrait effectivement répondre à certaines des limitations du tungstène pour les applications de fusion, " a déclaré Trelewicz.

La microscopie électronique au CFN a joué un rôle clé dans une découverte passionnante que les étudiants de Trelewicz ont récemment faite :une transition de phase métastable à stable inattendue dans des films minces de tungstène nanostructuré. Cette transition de phase entraîne un processus de croissance anormal du "grain" dans lequel certaines caractéristiques de la nanostructure cristalline se développent de manière très spectaculaire au détriment des autres. Lorsque les étudiants ont ajouté du chrome et du titane au tungstène, cette phase métastable a été complètement éliminée, à son tour améliorant la stabilité thermique du matériau.

"L'un des grands aspects d'avoir à la fois des composants expérimentaux et informatiques dans notre recherche est que lorsque nous apprenons de nouvelles choses de nos expériences, nous pouvons revenir en arrière et adapter les simulations pour refléter plus précisément les matériaux réels, " a déclaré Trelewicz.

Autres projets du groupe de recherche de Trelewicz

La recherche sur le tungstène n'est qu'un des nombreux projets en cours dans le Laboratoire des nanostructures métalliques d'ingénierie.

"Tous nos projets s'inscrivent dans le cadre du développement de nouveaux alliages métalliques aux propriétés améliorées et/ou multifonctionnelles, " a déclaré Trelewicz. " Nous examinons différentes stratégies pour optimiser les performances des matériaux en adaptant collectivement la chimie et la microstructure de nos matériaux. Une grande partie de la science réside dans la compréhension des mécanismes à l'échelle nanométrique qui régissent les propriétés que nous mesurons à l'échelle macro. »

Grâce à un prix CAREER (Faculty Early Career Development Program) de la National Science Foundation, Trelewicz et son groupe de recherche explorent une autre classe d'alliages à haute résistance :les métaux amorphes, ou "verres métalliques, " qui sont des métaux qui ont une structure atomique désordonnée semblable au verre. Par rapport aux métaux de tous les jours, les verres métalliques sont souvent intrinsèquement plus résistants mais généralement très cassants, et il est difficile de les fabriquer en grandes pièces telles que des feuilles en vrac. L'équipe de Trelewicz conçoit des interfaces et les intègre dans les verres métalliques - initialement à base de fer et plus tard à base de zirconium - pour améliorer la ténacité des matériaux, et explorer les procédés de fabrication additive pour permettre la production de tôles. Ils utiliseront l'installation de nanofabrication du CFN pour fabriquer des couches minces de ces verres métalliques conçus par interface pour une analyse in situ à l'aide de techniques de microscopie électronique.

Dans un projet similaire, ils cherchent à comprendre comment l'introduction d'une phase cristalline dans un alliage amorphe à base de zirconium pour former un composite à matrice vitreuse métallique (composé à la fois de phases amorphe et cristalline) augmente le processus de déformation par rapport à celui des verres métalliques ordinaires. Les verres métalliques échouent généralement de manière catastrophique parce que la contrainte se localise dans les bandes de cisaillement. L'introduction de régions cristallines dans les verres métalliques pourrait inhiber le processus par lequel la contrainte se localise dans le matériau. Ils ont déjà démontré que la présence de la phase cristalline modifie fondamentalement le mécanisme par lequel se forment les bandes de cisaillement.

Trelewicz et son groupe explorent également le comportement de déformation des "nanolaminés" métalliques qui consistent en une alternance de couches cristallines et amorphes, et tentent d'approcher la limite théorique de résistance des alliages d'aluminium légers grâce à des stratégies de dopage chimique synergique (ajout d'autres éléments à un matériau pour modifier ses propriétés).

« Nous tirons parti des ressources du CFN pour chaque projet en cours dans mon groupe de recherche, " a déclaré Trelewicz. " Nous utilisons largement les installations de microscopie électronique pour examiner la micro- et la nanostructure des matériaux, très souvent sur la façon dont les interfaces sont couplées avec des inhomogénéités de composition, des informations qui nous aident à stabiliser et à concevoir des réseaux interfaciaux dans des alliages métalliques nanostructurés. La modélisation informatique et la simulation permises par les clusters HPC du CFN nous renseignent sur ce que nous faisons dans nos expériences."

Au-delà de son travail au CFN, Trelewicz collabore avec ses collègues du département pour caractériser les matériaux à la National Synchrotron Light Source II, une autre installation utilisateur du DOE Office of Science à Brookhaven.

« Il existe différentes manières de caractériser les inhomogénéités structurales et chimiques, " a déclaré Trelewicz. "Nous examinons de petites quantités de matériau à travers les microscopes électroniques au CFN et à un niveau plus important au NSLS-II grâce à des techniques telles que la diffraction des rayons X et la sonde micro/nano. Nous combinons ces informations locales et mondiales pour caractériser en profondeur un matériau et utilisons ces informations pour optimiser ses propriétés. »

L'avenir des matériaux de nouvelle génération

Quand il ne fait pas de recherche, Trelewicz est généralement occupé avec la sensibilisation des étudiants. Il se connecte avec les départements de technologie de différentes écoles, leur fournir des projets de conception d'ingénierie des matériaux. Les étudiants participent non seulement aux aspects techniques de la conception des matériaux, mais sont également formés à l'utilisation d'imprimantes 3D et d'autres outils essentiels dans la société d'aujourd'hui pour fabriquer des produits de manière plus rentable et avec de meilleures performances.

Aller de l'avant, Trelewicz souhaite étendre ses collaborations au CFN et aider à établir sa recherche sur les nanostructures métalliques comme un domaine clé soutenu par le CFN et, finalement, BICHE, pour obtenir des propriétés sans précédent dans les matériaux classiques.

"Être capable d'apprendre quelque chose de nouveau chaque jour, utiliser ces connaissances pour avoir un impact sur la société, et voir mes étudiants combler les lacunes de notre compréhension actuelle est ce qui rend ma carrière de professeur si enrichissante, " a déclaré Trelewicz. "Avec les ressources de l'Université Stony Brook, à proximité du CFN, et d'autres laboratoires du DOE, J'ai une plate-forme incroyable pour apporter des contributions dans le domaine de la science des matériaux et de la métallurgie."