Une équipe dirigée par des scientifiques du NREL a démontré un moyen d'utiliser la « pression négative » pour combiner deux matériaux denses en un alliage (à droite) avec une densité beaucoup plus faible, comme pour transformer une boule de neige en neige pelucheuse. Le nouvel alliage a également des propriétés très différentes de celles de l'un de ses parents. Les sphères représentent des atomes de manganèse (bleu), sélénium (rouge) et tellure (or). Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
Certains matériaux peuvent se transformer en plusieurs structures cristallines aux propriétés très différentes. Par exemple, presser une forme molle de carbone produit du diamant, une forme de carbone plus dure et plus brillante. Le roman de Kurt Vonnegut "Cat's Cradle" mettait en vedette ice-neuf, une forme d'eau fictive avec un point de fusion beaucoup plus élevé que la glace ordinaire qui menaçait de geler de manière irréversible toute l'eau sur Terre.
Ces matériaux sont appelés polymorphes, et ils sont généralement fabriqués en appliquant une pression, ou en serrant. Les scientifiques à la recherche de nouveaux matériaux aimeraient également faire le contraire – appliquer une « pression négative » pour étirer la structure cristalline d'un matériau dans une nouvelle configuration. Autrefois, cette approche semblait nécessiter des pressions négatives difficiles voire impossibles à atteindre en laboratoire, de plus, cela risquait de séparer le matériau.
Aujourd'hui, des chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du ministère de l'Énergie ont trouvé un moyen de créer l'équivalent d'une pression négative en mélangeant deux matériaux dans les bonnes conditions pour créer un alliage avec une structure cristalline plus aérée et entièrement différente et des propriétés uniques. .
Les mesures aux rayons X au laboratoire national des accélérateurs SLAC du DOE ont confirmé qu'elles avaient réussi. Leur nouvel alliage a plus d'espace entre ses atomes que l'un de ses matériaux parents, comme s'il avait été allongé. Contrairement à ses parents, le nouveau matériau est piézoélectrique - capable de générer une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Cela peut être important pour une utilisation dans des capteurs et des actionneurs.
Publié dans Avancées scientifiques , l'article rapportant leurs résultats contient à la fois la compréhension théorique et la preuve de concept expérimentale qui montrent comment de tels nouveaux matériaux à faible densité peuvent être fabriqués.
« Créer les conditions de pression négative dans les alliages nécessitait une réflexion contre-intuitive, et c'est peut-être pourquoi cela n'a pas été signalé auparavant, " a déclaré Andriy Zakoutaïev, un scientifique du NREL et un auteur principal du nouvel article.
Les scientifiques du SLAC Laura Schelhas et Kevin Stone dans une station expérimentale à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford, où ils ont utilisé des rayons X pour mesurer la structure d'un nouveau matériau de « pression négative » créé au NREL. Crédit :Matt Beardsley/SLAC National Accelerator Laboratory
"Il est possible d'appliquer une pression positive sur le matériau en le pressant, mais c'est vraiment difficile de dévisser le matériau, " dit-il. " Pensez-y de cette façon :vous pouvez emballer une boule de neige avec de la neige, mais vous ne pouvez pas transformer une boule de neige dense en neige duveteuse."
Des travaux pionniers sur des matériaux dépareillés
L'expérience s'appuie sur les travaux pionniers menés par le NREL sur le mélange de composés avec des structures atomiques qui ne correspondaient pas.
Aussi sûrement que l'eau coule en descendant, une réaction chimique prendra le chemin de la moindre résistance, procéder d'une manière qui consomme le moins d'énergie. Le mélange de deux matériaux avec des structures à haute densité demande beaucoup d'énergie; mais si vous pouviez pousser la réaction dans le sens de la création d'un produit final à faible densité dont les atomes étaient plus éloignés les uns des autres, il faudrait beaucoup moins d'énergie, les chercheurs ont théorisé. Ce serait l'équivalent de fabriquer un matériau sous pression négative.
Ils ont testé cette hypothèse en mélangeant des formes à haute densité de séléniure de manganèse et de tellurure de manganèse qui ont des structures cristallines différentes - l'une ressemblant à du sel gemme, l'autre la nickeline minérale. Pour combiner les deux, ils ont utilisé une technique appelée pulvérisation cathodique dans laquelle de fines pulvérisations d'atomes ont été libérées des surfaces des deux matériaux de départ et déposées sous forme d'un film mince sur une surface chaude, où le nouvel alliage s'est cristallisé et a grandi, a déclaré Laura Schelhas, scientifique associée du SLAC. Elle a effectué des mesures aux rayons X du nouvel alliage à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du laboratoire avec le scientifique Kevin Stone. L'alliage, il s'est avéré, avait la structure cristalline d'un autre minéral, wurtzite.
"Vous pouvez utiliser cette approche d'alliage pour créer différents, des matériaux inédits aux propriétés intéressantes, " a dit Schelhas. " Par exemple, celui-ci devient piézoélectrique :lorsque vous appliquez une tension à travers le matériau, il s'étire et grossit. Et l'inverse se produit aussi :si vous appuyez dessus, il produit une charge électrique. Ces matériaux piézoélectriques sont utilisés dans de nombreux endroits - y compris certains airbags, où la pression d'être touché lors d'une collision crée un peu de charge électrique qui déclenche l'airbag - et le matériau créé ici était entièrement nouveau."
Aaron Titulaire, chercheur NREL et professeur assistant à l'Université du Colorado Boulder, mentionné, « Les propriétés de ce nouvel alliage pourraient conduire à son utilisation comme couche de contact pour les cellules solaires, ou pour future mémoire magnétique, transistors à couche mince, ou appareils thermoélectriques. Mais la façon dont nous l'avons fait est encore plus prometteuse :trouver de nouvelles voies pour synthétiser des matériaux que la nature ne peut pas créer permettrait de catalyser les progrès vers les technologies de nouvelle génération. »
