Les structures mécaniques sont aussi solides que les matériaux dont elles sont faites. Pendant des décennies, les chercheurs ont étudié les matériaux de ces structures pour voir pourquoi et comment ils échouent. Avant une panne catastrophique, il y a des fissures ou des dislocations individuelles qui se forment, qui sont des signaux qu'une structure peut s'affaiblir. Alors que les chercheurs ont étudié les luxations individuelles dans le passé, une équipe de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, l'Université du Tennessee, et Oak Ridge National Laboratory a permis de comprendre comment les dislocations s'organisent et réagissent à l'échelle nanométrique.

"Les métaux sont faits de polycristaux et les cristaux ont des atomes disposés de manière ordonnée, " a expliqué l'auteur principal Jian-Mu Zuo, Ivan Racheff Professeur de science et d'ingénierie des matériaux et affilié au Frederick Seitz Materials Research Lab de l'Illinois. "Comme la force est appliquée dans ces métaux, le cristal glissera et se déplacera l'un contre l'autre. Une structure comme un pont peut avoir beaucoup de luxations, qui peut bouger, mais la quantité de mouvement est si petite, ça n'a pas de conséquence. Cependant, alors que des milliers ou des dizaines de milliers de dislocations s'enchevêtrent dans un métal, et ils produisent un stress local. Cette organisation peut conduire à des déformations brutales, comme une avalanche de neige. C'est très dramatique et beaucoup plus difficile à contrôler."

L'équipe, qui comprend également Karin Dahmen, physicienne de la matière condensée de l'Illinois, a publié ses résultats dans Physique des communications . Le travail expérimental a été effectué par le Dr Yang Hu, dans le cadre de sa thèse de doctorat.

Jusqu'à cette étude, les chercheurs ne pouvaient pas comprendre le mécanisme derrière l'avalanche de dislocation au sein d'une structure. Cependant, l'équipe de l'Illinois a constaté qu'une série de dislocations s'entassent formant un barrage pour interdire les déplacements. Derrière le barrage se trouvent des dislocations enchevêtrées. Une fois la pression suffisante, une avalanche se forme faisant céder le barrage et mouvement brutal des dislocations enchevêtrées, ce qui affaiblit le métal et peut éventuellement conduire à une défaillance catastrophique. En ayant une meilleure compréhension de ce processus, cette étude promet d'aider à développer des matériaux encore plus solides à l'avenir et de mieux prédire quand une structure peut être en péril.

Pour étudier les luxations, qui ressemblent à des cordes aussi petites que 10-9 mètres de large, ils ont suivi le développement des avalanches de dislocation dans les nanopiliers comprimés d'un alliage à haute entropie (HEA). Le HEA a la même structure moyenne que le cuivre ou l'or. Mais les atomes sont disposés de manière à permettre aux chercheurs d'effectuer des mesures simultanées et de corréler le mouvement de dislocation avec la réponse mécanique et de localiser exactement où l'avalanche se produit. En identifiant les bandes de dislocation, les chercheurs peuvent observer ce qui se passe avant, pendant, et après l'avalanche.

"Les gens ont compris comment se déplacent les luxations individuelles, mais jusqu'à ce point ils n'ont pas compris comment ils se déplacent soudainement ensemble, " Zuo a noté. "Notre innovation est d'utiliser un nouveau matériau (le HEA) pour étudier un problème très ancien et de développer cette technique pour le faire."

Parce que les dislocations se structurent généralement à des microns d'intervalle (pensez au réseau de fissures dans une plaque de glace après avoir marché dessus), il est difficile d'identifier un événement unique en les regardant à l'intérieur d'un microscope qui ne fonctionne qu'avec des échantillons minces (à l'intérieur d'un microscope électronique à transmission, l'épaisseur de l'échantillon est typiquement inférieure à un micron).

"Dans un métal conventionnel, les luxations sont trop éloignées les unes des autres que ce que l'on peut voir à un moment donné, donc ils disparaissent à la surface" expliqua Zuo. "De plus, un métal déformé présente des paquets de dislocations, mais seulement quelques-uns qui sont réellement actifs. À cause de ça, certains chercheurs ont commenté lorsque les gens regardent la déformation par la suite dans le métal, c'est comme visiter un cimetière de dislocations."

Afin d'assister à une seule avalanche complète, Zuo et son équipe avaient besoin de trouver un matériau où la dislocation interagit à une échelle beaucoup plus petite. Le HEA est un nouveau type d'alliage composé de cinq éléments métalliques différents (Al0.1CoCrFeNi). Parce que chaque atome de métal a une taille différente et que le cristal est déformé, il ralentit la luxation permettant de stocker de nombreuses luxations et une avalanche dans un volume relativement réduit.

Les chercheurs de l'Illinois ont pu mesurer la luxation grâce à une technique appelée nanoindentation. Ils prennent un morceau de HEA et utilisent un faisceau d'ions pour fabriquer un nanopilier et appliquent la force sur le nanopilier avec une petite pointe plate en diamant d'un nanoindenteur.

"Ce matériau permet d'observer les dislocations à l'échelle nanométrique (500 nanomètres), " dit Zuo, expliquant le processus. "Nous avons un laboratoire mécanique qui applique une force à un échantillon d'essai à l'intérieur d'un microscope électronique. Lorsque la contrainte est appliquée, l'échantillon se déforme. Lorsque la contrainte dépasse la contrainte requise pour que la luxation se déplace à l'intérieur du nanopilier, la luxation va se multiplier. Lorsque la luxation se déplace et rencontre une résistance, ils ralentissent et s'emmêlent et forment une bande de luxation. Si vous pensez au stress comme à l'écoulement de l'eau, puis l'avalanche de dislocation est comme un barrage qui se brise et l'eau s'écoule soudainement. La HEA rend l'observation possible. "

Les résultats du processus sont deux mesures - d'abord une mesure mécanique, ce qui permet aux chercheurs d'étudier de combien de force il faut pour que les luxations se déplacent et de combien, et deuxièmement, imagerie électronique pour capturer le mouvement de dislocation dans une vidéo. Aucune étude antérieure n'a pu coupler l'imagerie électronique et la mesure de force mécanique pour étudier les avalanches de dislocation.

"D'après des études cumulatives précédentes, nous savions comment se produisaient les luxations et nous avons pu étudier ce qui restait, " Zuo a déclaré. "Cette étude fournit une réponse critique à la façon dont les luxations interagissent."

Zuo ajoute que ce type de mesure peut être utilisé pour développer une théorie et des modèles informatiques qui seront utilisés pour prédire comment les matériaux se comporteront sous certaines contraintes.

"C'est important parce que la défaillance catastrophique commence par ce type de déformation soudaine, " a déclaré Zuo. "Nous serons en mesure de mieux prédire l'action avant qu'il n'y ait un échec catastrophique. Cela devrait à son tour conduire au développement de matériaux beaucoup plus solides. »

Cette étude coïncide avec les efforts considérables déployés sur le campus de l'Illinois pour utiliser HEA pour les réacteurs nucléaires et les applications à haute température.

"Les HEA sont stables à haute température et peuvent supporter de nombreuses contraintes, " dit Zuo. " Si nous comprenons la structure de la dislocation, cela aidera à développer des matériaux pour des applications très difficiles."