(PhysOrg.com) -- Des chercheurs du California Institute of Technology ont mis au point un moyen de rendre ductiles certains matériaux notoirement cassants, mais plus résistants que jamais, simplement en réduisant leur taille.

L'oeuvre, par Dongchan Jang, chercheur postdoctoral senior, et Julia R. Greer, professeur assistant de science et mécanique des matériaux à Caltech, pourrait à terme conduire au développement d'innovations, super fort, mais des matériaux légers et résistants aux dommages. Ces nouveaux matériaux pourraient être utilisés comme composants dans des applications structurelles, comme dans les véhicules aérospatiaux légers qui durent plus longtemps dans des conditions environnementales extrêmes et dans les navires de guerre résistants à la corrosion et à l'usure.

Un article sur le travail apparaît dans l'édition en ligne anticipée du 7 février de la revue Matériaux naturels .

« Historiquement, " dit Greer, « les matériaux de structure ont toujours dû se fier à leurs conditions de traitement, et ont ainsi été « esclaves » de leurs propriétés. » Par exemple, la céramique est très solide, ce qui les rend parfaits pour les applications structurelles. À la fois, ces matériaux sont très lourds, ce qui est problématique pour de nombreuses applications, et ils sont extrêmement cassants, ce qui est loin d'être idéal pour supporter de lourdes charges. En réalité, dit Greer, "ils échouent catastrophiquement sous des charges mécaniques." Métaux et alliages, d'autre part, sont ductiles, et donc peu susceptible de se briser, mais ils n'ont pas la force de la céramique.

Les scientifiques des matériaux ont développé une classe intrigante de matériaux appelés alliages métalliques vitreux, qui sont amorphes et n'ont pas la structure cristalline des métaux traditionnels. Les matériaux, également connu sous le nom de verres métalliques, sont composés d'arrangements aléatoires d'éléments métalliques comme le zirconium, titane, le cuivre, et nickel. Ils sont légers, un « énorme avantage » pour leur intégration dans de nouveaux types d'appareils, Greer dit - et pourtant sont comparables en résistance à la céramique. Malheureusement, leur structure aléatoire rend les verres métalliques assez cassants. "Ils échouent également de manière catastrophique sous des charges de traction, " elle dit.

Mais maintenant Greer et Jang, le premier auteur de l'article Nature Materials, ont développé une stratégie pour surmonter ces obstacles - en fabriquant des verres métalliques qui sont presque infiniment petits.

Les scientifiques ont mis au point un procédé pour fabriquer des piliers en verre métallique riche en zirconium dont le diamètre n'est que de 100 nanomètres, soit environ 400 fois plus étroit que la largeur d'un cheveu humain. A cette taille, Greer dit, "les verres métalliques deviennent non seulement encore plus forts, mais aussi ductile, ce qui signifie qu'ils peuvent être déformés jusqu'à un certain allongement sans se rompre. Résistance plus ductilité, " elle dit, représente "une combinaison très lucrative pour les applications structurelles."

Jusqu'à présent, il n'y a pas d'applications immédiates pour les nouveaux matériaux, bien qu'il soit possible de combiner les nanopiliers en réseaux, qui pourraient alors former les blocs de construction de plus grandes structures hiérarchiques avec la force et la ductilité des objets plus petits.

L'oeuvre, cependant, « montre de manière convaincante que la « taille » peut être utilisée avec succès comme paramètre de conception, " dit Greer. " Nous entrons dans une nouvelle ère de la science des matériaux, où les matériaux structurels peuvent être créés non seulement en utilisant des structures monolithiques, comme la céramique et les métaux, mais aussi en y introduisant des éléments « architecturaux ».

Par exemple, Greer travaille à la fabrication d'une architecture "brique et mortier" utilisant de minuscules plaques de verre métallique et de métal ductile à grains ultrafins avec des dimensions nanométriques qui pourraient ensuite être utilisées pour fabriquer de nouveaux composites d'ingénierie avec une résistance et une ductilité amplifiées.

Pour utiliser cette approche axée sur l'architecture pour créer des matériaux structurels avec des propriétés améliorées, c'est-à-dire par exemple, super fort, pourtant léger et ductile, les chercheurs doivent comprendre comment chaque élément constitutif se déforme pendant l'utilisation et sous contrainte.

"Nos découvertes, " elle dit, "fournir une base puissante pour l'utilisation de composants à l'échelle nanométrique, qui sont capables de supporter des charges très élevées sans présenter de défaillance catastrophique, dans les applications structurelles à grande échelle, en particulier en incorporant un contrôle architectural et microstructural."

Greer ajoute :" L'aspect particulièrement cool de l'expérience est qu'il est presque impossible à faire ! Dongchan, mon super post-doc, a pu fabriquer des échantillons individuels de nanopiliers de verre métallique de traction de 100 nanomètres de diamètre, ce que personne n'avait jamais fait auparavant, puis utilisé notre instrument de déformation mécanique in situ sur mesure, SEmentor, pour réaliser les expériences. Il a fabriqué les échantillons, les a testés, et analysé les données. Ensemble, nous avons pu interpréter les résultats et formuler la théorie phénoménologique, mais tout le mérite lui revient."

Le travail dans le Matériaux naturels papier, "Passage d'un état fort mais cassant à un état plus résistant et ductile par réduction de la taille des verres métalliques, " a été financé par la National Science Foundation et l'Office of Naval Research, et a utilisé les installations de fabrication et de caractérisation du Kavli Nanoscience Institute à Caltech.