Les chercheurs de Johns Hopkins ont découvert que, dans les bonnes conditions, les matériaux nanocristallins nouvellement développés présentent une activité surprenante dans les minuscules espaces entre les amas géométriques d'atomes appelés nanocristaux à partir desquels ils sont fabriqués.

Cette trouvaille, détaillé récemment dans la revue Science , est important car ces nanomatériaux deviennent de plus en plus omniprésents dans la fabrication de microdispositifs et de circuits intégrés. Les mouvements dans le domaine atomique peuvent affecter les propriétés mécaniques de ces matériaux futuristes - les rendant plus flexibles et moins cassants - et peuvent altérer la durée de vie du matériau.

« Alors que nous fabriquons des appareils de plus en plus petits, nous avons utilisé plus de matériaux nanocristallins qui ont des cristallites beaucoup plus petites - ce que les scientifiques des matériaux appellent des grains - et que l'on pense être beaucoup plus solides, " a déclaré Kevin Hemker, professeur et président de génie mécanique à la Whiting School of Engineering de Johns Hopkins et auteur principal de la Science article. "Mais nous devons mieux comprendre le comportement de ces nouveaux types de composants métalliques et céramiques, par rapport aux matériaux traditionnels. Comment prédire leur fiabilité ? Comment ces matériaux peuvent-ils se déformer lorsqu'ils sont soumis à des contraintes ? »

Les expériences menées par un ancien assistant de recherche de premier cycle et supervisées par Hemker se sont concentrées sur ce qui se passe dans les régions appelées joints de grains. Un grain ou cristallite est un petit amas d'atomes disposés selon un motif tridimensionnel ordonné. L'espace irrégulier ou l'interface entre deux grains ayant des orientations géométriques différentes est appelé joint de grain. Les joints de grains peuvent contribuer à la résistance d'un matériau et l'aider à résister à la déformation plastique, un changement de forme permanent. On pense que les nanomatériaux sont plus résistants que les métaux et céramiques traditionnels car ils possèdent des grains plus petits et, par conséquent, ont plus de joints de grains.

La plupart des scientifiques ont appris que ces joints de grains ne bougent pas, une caractéristique qui aide le matériau à résister à la déformation. Mais lorsque Hemker et ses collègues ont réalisé des expériences sur des couches minces d'aluminium nanocristallin, appliquer un type de force appelé contrainte de cisaillement, ils ont trouvé un résultat inattendu. "Nous avons vu que les grains avaient grossi, qui ne peut se produire que si les frontières bougent, " il a dit, "et la partie la plus surprenante de notre observation était que c'était la contrainte de cisaillement qui avait fait bouger les limites."

"La vue originale, " Hemker a dit, « était que ces limites étaient comme les murs à l'intérieur d'une maison. Les murs et les pièces qu'ils créent ne changent pas de taille ; la seule activité est celle des personnes qui se déplacent à l'intérieur de la pièce. Mais nos expériences ont montré que dans ces nanomatériaux, lorsque vous appliquez un type particulier de force, les pièces changent de taille parce que les murs bougent réellement."

La découverte a des implications pour ceux qui utilisent des films minces et d'autres nanomatériaux pour fabriquer des circuits intégrés et des systèmes microélectromécaniques, communément appelé MEMS. Le mouvement de frontière montré par Hemker et ses collègues signifie que les nanomatériaux utilisés dans ces produits possèdent probablement plus de plasticité, une plus grande fiabilité et moins de fragilité, mais aussi une force réduite.

« Alors que nous nous dirigeons vers la fabrication d'objets dans des tailles beaucoup plus petites, nous devons prendre en compte comment l'activité au niveau atomique affecte les propriétés mécaniques du matériau, " Hemker a déclaré. "Cette connaissance peut aider les fabricants de micro-dispositifs à décider de la taille appropriée pour leurs composants et peut conduire à de meilleures prédictions sur la durée de vie de leurs produits."