Vous savez comment laisser de la place dans une bouteille d'eau avant de la mettre au congélateur, pour tenir compte du fait que l'eau se dilate lorsqu'elle gèle ? La plupart des pièces métalliques dans les avions sont confrontées au problème inverse le plus courant. À haute altitude (basse température), ils rétrécissent. Pour éviter qu'un tel rétrécissement ne provoque des catastrophes majeures, les ingénieurs fabriquent des avions en composites ou en alliages, mélanger des matériaux qui ont des propriétés d'expansion opposées pour s'équilibrer.

De nouvelles recherches menées en partie au laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis pourraient amener une toute nouvelle classe d'éléments chimiques dans cet exercice d'équilibrage de la science des matériaux.

Comme décrit dans un article qui vient d'être publié dans la revue Lettres d'examen physique , les scientifiques ont utilisé des rayons X à Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - une installation utilisateur du département américain de l'Énergie Office of Science - et deux autres sources de lumière synchrotron pour explorer un métal inhabituel qui se dilate considérablement à basse température. Les expériences sur le sulfure de samarium dopé avec quelques impuretés ont révélé des détails sur la structure au niveau atomique du matériau et les origines électroniques de sa "dilatation thermique négative".

Ce travail ouvre des voies pour la conception de nouveaux matériaux où le degré d'expansion peut être réglé avec précision en ajustant la recette chimique. Il suggère également quelques matériaux connexes qui pourraient être explorés pour des applications de mélange de métaux.

« Dans les applications pratiques, qu'il s'agisse d'un avion ou d'un appareil électronique, vous voulez faire des alliages de matériaux avec ces propriétés opposées - des choses qui se dilatent d'un côté et rétrécissent de l'autre lorsqu'elles refroidissent, donc au total ça reste pareil, " a expliqué Daniel Mazzone, l'auteur principal de l'article et un boursier postdoctoral au NSLS-II et au département de physique de la matière condensée et de science des matériaux du Brookhaven Lab.

Mais les matériaux qui imitent l'expansion de l'eau lorsqu'ils sont refroidis sont rares. Et tandis que l'expansion de l'eau glacée est bien comprise, l'expansion spectaculaire du sulfure de samarium n'avait jamais été expliquée.

Comme d'autres matériaux que Mazzone a étudiés, ce composé à base de samarium (en particulier le sulfure de samarium avec quelques atomes d'yttrium prenant la place de quelques atomes de samarium) est caractérisé par des phases électroniques concurrentes (quelque peu analogues au solide, liquide, et phases gazeuses de l'eau). En fonction des conditions extérieures telles que la température et la pression, les électrons dans le matériau peuvent faire différentes choses. Dans certains cas, le matériau est un métal doré à travers lequel les électrons peuvent se déplacer librement - un conducteur. Dans d'autres conditions, c'est un semi-conducteur de couleur noire, ne laissant circuler que quelques électrons.

L'état métallique doré est celui qui se dilate considérablement lorsqu'il est refroidi, ce qui en fait un métal extrêmement inhabituel. Mazzone et ses collègues se sont tournés vers les rayons X et les descriptions théoriques du comportement des électrons pour comprendre pourquoi.

Sur la ligne de lumière de la fonction de distribution de paires (PDF) de NSLS-II, les scientifiques ont mené des expériences de diffraction. La ligne de lumière PDF est optimisée pour les études de matériaux fortement corrélés dans diverses conditions externes telles que les basses températures et les champs magnétiques. Pour cette expérience, l'équipe a placé des échantillons de leur métal samarium à l'intérieur d'un cryostat refroidi à l'hélium liquide dans le faisceau de rayons X de NSLS-II et a mesuré comment les rayons X rebondissaient sur les atomes constituant la structure cristalline du matériau à différentes températures.

"Nous suivons comment les rayons X rebondissent sur l'échantillon pour identifier les emplacements des atomes et les distances entre eux, " a déclaré Milinda Abeykoon, le scientifique principal de la ligne de lumière PDF. « Nos résultats montrent que, quand la température baisse, les atomes de ce matériau s'éloignent les uns des autres, provoquant une expansion de l'ensemble du matériau jusqu'à trois pour cent en volume."

L'équipe a également utilisé des rayons X au synchrotron SOLEIL en France et au synchrotron SPring-8 au Japon pour examiner en détail ce que faisaient les électrons dans le matériau à différentes étapes de la transition induite par la température.

"Ces expériences de" spectroscopie d'absorption des rayons X " peuvent déterminer si les électrons entrent ou sortent de la " coquille " d'électrons la plus externe autour des atomes de samarium, " a expliqué l'auteur co-correspondant Ignace Jarrige, un physicien à NSLS-II.

Si vous repensez à l'une des bases de la chimie, vous vous souviendrez peut-être que les atomes avec des enveloppes externes non remplies ont tendance à être les plus réactifs. L'enveloppe extérieure du samarium est un peu moins à moitié pleine.

"Toute la physique est essentiellement contenue dans cette dernière coquille, qui n'est ni plein ni vide, ", a déclaré Mazzone.

Les expériences aux rayons X de suivi des électrons ont révélé que les électrons circulant à travers le métal sulfure de samarium se déplaçaient dans cette enveloppe externe autour de chaque atome de samarium. Au fur et à mesure que le nuage d'électrons de chaque atome grandissait pour accueillir les électrons supplémentaires, tout le matériel s'est dilaté.

Mais les scientifiques devaient encore expliquer le comportement en se basant sur des théories physiques. A l'aide des calculs effectués par Maxim Dzero, un physicien théoricien de la Kent State University, ils ont pu expliquer ce phénomène avec ce qu'on appelle l'effet Kondo, du nom du physicien Jun Kondo.

L'idée de base derrière l'effet Kondo est que les électrons vont interagir avec les impuretés magnétiques dans un matériau, alignant leurs propres spins dans la direction opposée de la plus grosse particule magnétique pour "écranter, " ou annuler, son magnétisme.

Dans le matériau en sulfure de samarium, Dzero a expliqué, l'enveloppe extérieure presque à moitié pleine de chaque atome de samarium agit comme une minuscule impureté magnétique pointant dans une certaine direction. "Et parce que tu as un métal, vous trouvez aussi des électrons libres qui peuvent approcher et annuler ces petits moments magnétiques, " a déclaré Dzéro.

Tous les éléments soumis à l'effet Kondo n'ont pas d'électrons remplissant la coque la plus externe, car cela peut aussi aller dans l'autre sens, ce qui fait que les électrons quittent la coquille. La direction est déterminée par un équilibre énergétique délicat dicté par les règles de la mécanique quantique.

« Pour certains éléments, à cause de la façon dont l'enveloppe extérieure se remplit, il est plus énergétiquement favorable pour que les électrons sortent de la coquille. Mais pour quelques-uns de ces matériaux, les électrons peuvent entrer, ce qui conduit à l'expansion, " dit Jarrige. En plus du samarium, les deux autres éléments sont le thulium et l'ytterbium.

Il serait intéressant d'explorer des composés contenant ces autres éléments en tant qu'ingrédients supplémentaires possibles pour créer des matériaux qui se dilatent lors du refroidissement, dit Jarrige.

Finalement, les scientifiques ont noté que l'étendue de la dilatation thermique négative du sulfure de samarium peut être ajustée en faisant varier la concentration des impuretés.

"Cette accordabilité rend ce matériau très précieux pour l'ingénierie des alliages à expansion équilibrée, ", a déclaré Mazzone.

"L'application de la modélisation hautement développée de la théorie à N corps a été une partie importante du travail pour identifier le lien entre l'état magnétique de ce matériau et son expansion volumique, " a déclaré Jason Hancock, un collaborateur à l'Université du Connecticut (UConn). "Cette collaboration entre Kent State, UConn, Laboratoire de Brookhaven, synchrotrons partenaires, et des groupes de synthèse au Japon pourraient potentiellement guider les efforts de découverte de nouveaux matériaux qui utilisent les propriétés inhabituelles de ces matériaux de terres rares. »