Des chercheurs du Technion ont découvert la nature des couches nanométriques d'épaisseur entre différents matériaux et ont découvert qu'elles ont des propriétés à la fois solides et liquides. En faisant cela, les chercheurs ont apporté un ajout crucial à la théorie de Gibbs qui décrit les aspects fondamentaux de la thermodynamique des interfaces.

L'article récemment publié dans Science démontre expérimentalement que la formation d'une couche très mince (de l'ordre du nanomètre d'épaisseur) aux interfaces réduit l'énergie d'interface, et favorise l'adhérence et la stabilité de l'interface. La couche mince n'est pas un état conventionnel de la matière, en ce qu'il n'est ni solide ni liquide, mais plutôt quelque chose entre les deux.

Les résultats pourraient permettre aux scientifiques d'améliorer la résilience de la liaison entre les matériaux céramiques et les métaux, deux types de matériaux qui « n'aiment pas » entrer en contact. Les nombreuses applications du monde réel incluent des outils de coupe pour le travail des métaux; composites pour plaquettes de frein; les jonctions entre les fils conducteurs métalliques et les puces dans les ordinateurs ; et l'application de revêtements céramiques protecteurs sur les aubes de moteurs à réaction.

« Jusqu'à maintenant, personne n'avait pu comprendre pourquoi ces couches minces existent, ou s'il s'agissait d'un état temporaire ou d'un état d'équilibre, » explique le Pr Wayne D. Kaplan, Doyen du Département de Génie des Matériaux du Technion. « Alors que leur existence aux interfaces entre les cristaux de céramique et à la surface de la glace était connue, il y avait un débat en cours sur la cause de ce phénomène et ses propriétés."

Grâce à une longue série d'expériences, Le Dr Mor Baram a prouvé qu'une couche mince existe à l'interface entre les métaux et les matériaux céramiques, ce qui réduit l'énergie d'interface. La recherche était le travail de doctorat du Dr Baram, et a été réalisée sous la direction du Pr Kaplan en coopération avec le Dr Dominique Chatain du CNRS en France.

« Ce phénomène nous permet de faire du patin à glace, réduit les propriétés mécaniques des matériaux céramiques à haute température, affecte la morphologie des cristaux dans les matériaux d'ingénierie polycristallins modernes, et contribue à la stabilité des dispositifs micro-électroniques modernes, », explique le Pr Kaplan.

L'équipe a mené de nouvelles expériences au Technion en utilisant le nouveau microscope électronique "Titan" et un faisceau d'ions focalisé (FIB). Cela comprenait le placage de saphir avec un mince film d'or (0,6 micron d'épaisseur) (à titre de comparaison, une seule mèche de cheveux a une épaisseur de 80 à 100 microns), et chauffer les échantillons jusqu'à ce qu'ils atteignent l'équilibre (c'est-à-dire jusqu'à ce que le film d'or se brise en milliards de minuscules cristaux d'or sur le saphir). Les chercheurs ont également inclus une source d'éléments sur le saphir connue pour jouer un rôle dans la formation de la couche entre différents matériaux (dans ce cas, silicium et calcium). Lorsque les échantillons ont atteint l'équilibre, le calcium et le silicium se sont déplacés à l'interface entre l'or et le saphir, et un mince (0,0012 microns, ou 1,2 nanomètres d'épaisseur) a été créée.

Les chercheurs ont alors pu mesurer avec succès l'énergie stockée entre l'or et le saphir en présence de la couche mince. En faisant cela, ils ont prouvé que sa présence diminue l'énergie de l'interface, et améliore ainsi sa stabilité.