Lorsque les techniques de fabrication transforment les métaux, les céramiques ou les composites en une forme technologiquement utile, il est essentiel de comprendre le mécanisme du processus de transformation de phase pour façonner le comportement de ces matériaux hautes performances. Voir ces transformations en temps réel est cependant difficile.

Une nouvelle étude dans la revue Nature , dirigé par le professeur Guangwen Zhou du département de génie mécanique du Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science et du programme de science des matériaux de l'Université de Binghamton, utilise la microscopie électronique à transmission (TEM) pour observer la transformation oxyde-métal au niveau atomique. Les dislocations de mésappariement qui sont omniprésentes aux interfaces dans les matériaux multiphases et jouent un rôle clé dans la détermination des propriétés structurelles et fonctionnelles sont particulièrement intéressantes.

Les étudiants de Zhou Xianhu Sun et Dongxiang Wu sont les premiers co-auteurs de l'article ("Dislocation-induced stop-and-go kinetics of interfacial transformations"). Sun a récemment terminé son doctorat. thèse et Wu est titulaire d'un doctorat. candidat. Les autres contributeurs sont Lianfeng Zou, MS '12, Ph.D. '17, maintenant professeur à l'Université de Yanshan, et Ph.D. candidat Xiaobo Chen; le professeur Judith Yang, le professeur adjoint de recherche invité Stephen House et le chercheur postdoctoral Meng Li de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh ; et le scientifique Dmitri Zakharov du Center for Functional Nanomaterials, une installation des utilisateurs du Bureau des sciences du Département américain de l'énergie (DOE) au Brookhaven National Lab.

En utilisant la technique avancée, a déclaré Zhou, "les fabricants peuvent être en mesure de contrôler la microstructure et les propriétés des matériaux actuels et de concevoir de nouveaux types de matériaux. Il y a une certaine importance pratique pour cette recherche, mais il y a aussi une signification fondamentale."

Les expériences ont testé la transformation de l'oxyde de cuivre en cuivre. L'observation directe d'une telle transformation d'interface à l'échelle atomique est difficile car elle nécessite non seulement la capacité d'accéder à l'interface enterrée, mais également d'appliquer des stimuli chimiques et thermiques pour conduire la transformation.

En utilisant des techniques TEM environnementales capables d'introduire de l'hydrogène gazeux dans le microscope pour conduire la réduction d'oxyde tout en effectuant simultanément une imagerie TEM, l'équipe de recherche a pu surveiller atomiquement la réaction interfaciale. Étonnamment, les chercheurs ont observé que la transformation de l'oxyde de cuivre en cuivre se produit de manière intermittente car elle est temporairement arrêtée par des dislocations de désadaptation, un comportement similaire à un processus d'arrêt et de départ régulé par des feux de circulation.

"C'est inattendu, car le bon sens accepté par la communauté de la recherche sur les matériaux est que les dislocations d'interface sont les emplacements pour faciliter la transformation plutôt que pour la retarder", a déclaré Zhou.

Pour comprendre ce qui était à l'œuvre, Wu a développé des codes informatiques pour expliquer ce dont ils étaient témoins dans les expériences. Ce processus de va-et-vient entre les expériences et la modélisation informatique a aidé l'équipe à comprendre comment les dislocations inadaptées contrôlent le transport à longue distance des atomes nécessaires à la transformation de phase.

"Ce processus itératif en boucle entre les expériences et la modélisation informatique, à la fois au niveau atomique, est un aspect passionnant pour la recherche sur les matériaux", a déclaré Zhou.

Les informations fondamentales pourraient s'avérer utiles pour concevoir de nouveaux types de matériaux multiphases et contrôler leur microstructure, qui peuvent être utilisés dans diverses applications telles que les matériaux structurels porteurs, la fabrication électronique et les réactions catalytiques pour la production d'énergie propre et la durabilité environnementale.

Après avoir collecté les données initiales à Binghamton, Sun et l'équipe de recherche ont répété les expériences sur les équipements de Pitt et Brookhaven, qui ont des capacités différentes.

"Il s'agit d'un travail collaboratif. Sans les facilités du Brookhaven Lab et de l'Université de Pittsburgh, nous ne pouvons pas voir ce que nous devons voir", a déclaré Sun. "De plus, dans les dernières étapes de l'analyse de mes données, j'ai discuté des résultats avec Judy, Meng et Dmitri à plusieurs reprises. Je me souviens que lorsque nous avons terminé la première ébauche et envoyé le manuscrit à Dmitri, il m'a dit que nous devrions peut-être inclure quelques équations pour confirmer nos résultats observés, et il a envoyé de la documentation pertinente. Nous pouvons donc maintenant montrer que ces calculs concordent avec nos résultats expérimentaux."

Yang a également qualifié la recherche de "très beau partenariat" qui a réuni les meilleurs éléments de Binghamton, Pitt et Brookhaven.

"La capacité d'utiliser des outils de pointe est l'une des choses qui sous-tendent la nouvelle science, comme illustré ici", a-t-elle déclaré. "Brookhaven a un microscope exceptionnel qui peut supporter le stress environnemental à des pressions plus élevées que celui que nous avons à l'Université de Pittsburgh, et il a une capacité analytique plus élevée. Mais celui de l'Université de Pittsburgh est un bon microscope électronique à transmission à haute résolution qui peut accepter gaz, c'est un microscope plus robuste. Il y a aussi plus de temps de recherche disponible."

Elle a utilisé une analogie pour expliquer pourquoi il est important de voir les réactions chimiques se produire en temps réel :"Lorsque vous achetez du poisson et qu'il est emballé, vous ne pouvez pas comprendre grand chose sur ce poisson par opposition à voir le poisson dans un environnement réel."

Parce que les laboratoires nationaux du DOE peuvent offrir des instruments de pointe et une expertise de haut calibre qui complètent ce qui est disponible dans les universités et l'industrie de haute technologie, ils peuvent aider les chercheurs, en particulier ceux en début de carrière, à faire passer leur travail au suivant niveau, dans la plupart des cas gratuitement.

Zakharov s'est dit heureux d'avoir joué un rôle dans cette recherche sur les matériaux :"La puissance de la technique est qu'il s'agit d'une méthode directe pour voir toutes ces dislocations et transformations de phase. Vous pouvez contrôler la réaction, et vous pouvez aller et venir pour observez comment ces dislocations dans les interfaces se comportent. Il n'y a pas d'autre technique avec une observation aussi directe."

Sun, qui travaille maintenant au Lawrence Berkeley National Laboratory, également un laboratoire national du DOE, est heureux que cette recherche soit enfin publiée.

"J'ai commencé à analyser ces données en mars 2018, il a donc fallu près de cinq ans pour terminer ce travail", a-t-il déclaré. "C'est difficile, mais ça vaut le coup." + Explorer plus loin

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