Un scientifique et des collaborateurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont démontré le tout premier «microscope à défauts» qui peut suivre la façon dont les populations de défauts profondément à l'intérieur des matériaux macroscopiques se déplacent collectivement.

La recherche, apparaissant aujourd'hui dans Avancées scientifiques , montre un exemple classique de limite de dislocation (défaut de ligne), montre ensuite comment ces mêmes défauts se déplacent de manière exotique juste au bord des températures de fusion.

« Ce travail présente un grand pas en avant pour la science des matériaux, physique et domaines connexes, car il offre une nouvelle façon unique de visualiser les « échelles intermédiaires » qui relient les défauts microscopiques aux propriétés en vrac qu'ils provoquent, " dit Leora Dresselhaus-Marais, un ancien boursier Lawrence et maintenant professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Stanford.

Relier les défauts microscopiques d'un matériau en vrac à ses propriétés macroscopiques est un problème séculaire en science des matériaux. Les interactions à longue distance entre les dislocations sont connues pour jouer un rôle clé dans la façon dont les matériaux se déforment ou fondent, mais les scientifiques manquaient jusqu'à présent d'outils pour relier ces dynamiques aux propriétés macroscopiques.

Les défauts sous-tendent de nombreux éléments mécaniques, propriétés thermiques et électroniques des matériaux. Un exemple frappant est la luxation, qui est un défaut linéaire étendu dans le réseau atomique qui permet aux matériaux cristallins de changer de façon permanente leur forme sous charge. La gamme de dureté et d'ouvrabilité des matériaux ductiles est due à la façon dont leurs dislocations peuvent se déplacer et interagir.

Dans la nouvelle recherche, l'équipe a utilisé la microscopie à rayons X à fond noir (DFXM) à résolution temporelle pour visualiser directement comment les dislocations se déplacent et interagissent sur des centaines de micromètres de profondeur à l'intérieur de l'aluminium en vrac. Avec des films en temps réel, ils ont montré que le mouvement thermiquement activé et les interactions des dislocations qui constituent une frontière et montrent comment des forces de liaison affaiblies déstabilisent la structure à 99 pour cent de la température de fusion.

L'équipe a résolu le mouvement individuel et collectif des dislocations dans une limite de dislocation (DB) sous la surface de l'aluminium monocristallin. Leurs images montrent comment la DB migre le long d'une limite à très faible angle lorsqu'elle est chauffée de 97 % à 99 % de la température de fusion (660 degrés Celsius). Ils ont ensuite zoomé sur la façon dont les dislocations entrent et sortent de la frontière, provoquant la fusion et la stabilisation de deux segments DB en une structure cohésive. Au fur et à mesure que la DB migre et augmente son espacement entre les dislocations, ils ont observé comment la frontière s'est déstabilisée.

"En visualisant et en quantifiant des dynamiques activées thermiquement qui étaient auparavant limitées à la théorie, nous démontrons une nouvelle classe de mesures en vrac qui est désormais accessible avec DFXM résolu en temps, offrant des opportunités clés dans la science des matériaux, ", a déclaré Dresselhaus-Marais.

L'équipe comprend également des scientifiques de l'Université technique du Danemark, Site de sécurité nationale du Nevada, CEA Grenoble, Universität für Bodenkultur Wien à Vienne et l'installation européenne de rayonnement synchrotron. Le travail a été financé par la bourse Lawrence de LLNL et le financement du programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire.