L'un des principes de base de la nanotechnologie est que lorsque vous créez des objets extrêmement petits, un nanomètre fait environ cinq atomes de large, 100, 000 fois plus petits que le diamètre d'un cheveu humain, ils vont devenir plus parfaits.

"Parfait dans le sens où leur arrangement d'atomes dans le monde réel deviendra plus comme un modèle idéalisé, " dit l'ingénieur de l'Université du Vermont, Frederic Sansoz, "avec des cristaux plus petits, par exemple, l'or ou le cuivre, il est plus facile d'avoir moins de défauts."

Et éliminer les défauts à l'interface séparant deux cristaux, ou céréales, a été démontré par les experts en nanotechnologie comme une stratégie puissante pour rendre les matériaux plus solides, plus facilement moulé, et moins résistants électriquement - ou une foule d'autres qualités recherchées par les concepteurs et les fabricants.

Depuis 2004, quand un article fondateur est sorti Science , les scientifiques des matériaux ont été enthousiasmés par un arrangement spécial d'atomes dans les métaux et autres matériaux appelé "frontière jumelle cohérente" ou CTB.

Basé sur la théorie et l'expérience, ces frontières jumelles cohérentes sont souvent décrites comme "parfaites, " apparaissant comme un parfaitement plat, plan d'un atome d'épaisseur dans les modèles informatiques et les images au microscope électronique.

Au cours de la dernière décennie, un corpus de littérature a montré ces frontières jumelles cohérentes - trouvées à l'échelle nanométrique dans la structure cristalline de métaux communs comme l'or, l'argent et le cuivre - sont très efficaces pour rendre les matériaux beaucoup plus solides tout en conservant leur capacité à subir un changement de forme permanent sans se casser et en permettant toujours une transmission facile des électrons - un fait important pour la fabrication d'ordinateurs et d'autres applications électroniques.

Mais de nouvelles recherches montrent maintenant que les frontières jumelles cohérentes ne sont pas si parfaites après tout.

Une équipe de scientifiques, dont Sansoz, professeur à la faculté d'ingénierie et des sciences mathématiques de l'UVM, et collègues du Lawrence Livermore National Laboratory et d'ailleurs, écrivez dans l'édition du 19 mai de Matériaux naturels que les frontières jumelles cohérentes trouvées dans le cuivre "sont intrinsèquement défectueuses".

Avec un microscope électronique à haute résolution, en utilisant une technique plus puissante que jamais utilisée pour examiner ces limites, ils ont trouvé de minuscules marches et courbures ressemblant à des plis dans ce qui avait été précédemment considéré comme parfait.

Plus surprenant encore, ces plis et autres défauts semblent être la cause de la résistance de la frontière jumelle cohérente et d'autres qualités souhaitables.

"Tout ce que nous avons appris sur ces matériaux au cours des 10 dernières années devra être revisité avec ces nouvelles informations, " dit Sansoz

L'expérience, dirigé par Morris Wang au Lawrence Livermore Lab, appliqué une technique de cartographie nouvellement développée pour étudier l'orientation cristalline des CTB dans ce qu'on appelle le cuivre nanojumelé et « boum – il a révélé ces défauts, " dit Sansoz.

Cette découverte du monde réel était conforme aux découvertes théoriques intrigantes antérieures que Sansoz avait faites avec des "simulations atomistiques" sur un ordinateur. Les résultats du laboratoire ont renvoyé Sansoz à ses modèles informatiques où il a introduit les défauts de "coude" nouvellement découverts dans ses calculs. En utilisant le Vermont Advanced Computing Center d'UVM, il a théoriquement confirmé que les défauts de pli observés par l'équipe de Livermore conduisent à « des processus de déformation assez riches à l'échelle atomique, " il dit, qui n'existent pas avec des frontières jumelles parfaites.

Avec le modèle informatique, "nous avons trouvé une série de mécanismes complètement nouveaux, " il dit, pour expliquer pourquoi les frontières jumelles cohérentes ajoutent simultanément de la résistance et permettent également l'étirement (ce que les scientifiques appellent la « ductilité à la traction »), propriétés qui s'excluent généralement mutuellement dans les matériaux conventionnels.

"Nous ne savions pas que de tels défauts existaient, " dit Sansoz. " Tant pis pour la frontière jumelle parfaite. Nous les appelons maintenant des frontières jumelles défectueuses."

Depuis plusieurs décennies, les scientifiques ont cherché des moyens de réduire la taille des grains cristallins individuels dans les métaux et autres matériaux. Comme une série de digues ou de murs au sein de la plus grande structure, les limites entre les grains peuvent ralentir le glissement interne et aider à résister à la rupture. Généralement, plus ces limites sont nombreuses, plus le matériau est solide.

Initialement, les scientifiques pensaient que les joints jumeaux cohérents dans les matériaux étaient beaucoup plus fiables et stables que les joints de grains conventionnels, qui sont incohérents pleins de défauts. Mais la nouvelle recherche montre qu'ils pourraient tous deux contenir des types de défauts similaires malgré des énergies de frontière très différentes.

« Comprendre ces structures défectueuses est la première étape pour tirer pleinement parti de ces CTB pour renforcer et maintenir la ductilité et la conductivité électrique de nombreux matériaux, " a déclaré Morris Wang. " Comprendre le comportement et les mécanismes de ces défauts aidera notre conception technique de ces matériaux pour des applications à haute résistance. "

Pour Sansoz, cette découverte souligne un principe profond, « Il y a toutes sortes de défauts dans la nature, " il dit, "avec la nanotechnologie, vous essayez de contrôler la façon dont ils se forment et se dispersent dans la matière, et de comprendre leur impact sur les propriétés. Le point de cet article est que certains défauts rendent un matériau plus résistant. »