Les propriétés des nanomatériaux pourraient être plus faciles à prévoir à l'avenir. Les scientifiques de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart ont broyé le métal en poudres toujours plus fines par étapes et ont préparé un catalogue détaillé de la façon dont la structure des grains métalliques change en fonction de la taille des grains. Ils ont découvert que les réseaux cristallins rétrécissent initialement, mais se dilatent à nouveau en dessous d'une certaine taille de grain seuil. La disposition et l'espacement des atomes déterminent de nombreuses propriétés d'un matériau. S'il est possible de caractériser précisément les réseaux cristallins en fonction de la taille des particules, il peut également être ainsi possible de calculer plus précisément le comportement des nanoparticules d'une taille particulière.

Le café le plus fin est moulu, plus le goût est intense. La relation entre propriétés et mouture concerne également une équipe de scientifiques dirigée par Eric Jan Mittemeijer, Directeur à l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents. Les chercheurs ne travaillent pas avec du café, mais à la place avec des métaux à l'échelle nanométrique. Avec divers métaux nanograinés en poudre très fine, ils ont déterminé que les atomes métalliques dans les gros grains cristallins individuels se regroupent plus étroitement, plus les grains sont broyés fins. Le réseau cristallin du matériau devient ainsi plus comprimé. Cependant, dès que les grains mesurent moins de 30 nanomètres de diamètre environ, les atomes inversent leur comportement et le réseau cristallin se dilate à nouveau.

Les scientifiques des matériaux savent depuis un certain temps qu'un même matériau peut présenter des propriétés diverses, voire contradictoires, en fonction de la taille de ses particules. Cela s'applique principalement lorsque les dimensions d'un échantillon de matériau tombent dans la plage du nanomètre. On en sait déjà beaucoup sur les raisons du comportement différent des grains très fins et grossiers. En gros cristaux métalliques, la plupart des atomes sont complètement entourés d'atomes du même type. Dans ce type de réseau ordonné, les forces attractives et répulsives entre les atomes métalliques sont en équilibre.

Dans des grains nanométriques, les atomes de surface régissent les propriétés des matériaux

Par comparaison, les nanocristaux sont constitués de relativement peu d'atomes, dont une très grande partie se situe à la surface des grains. Lorsque la taille des grains diminue, le rapport surface/volume augmente. Les atomes de surface ne sont pas entourés de tous côtés par les mêmes atomes, et au-dessous d'une certaine taille de cristal, ils régissent les propriétés du matériau telles que la couleur, conductivité, propriétés magnétiques et dureté de la substance.

Les chercheurs ont produit des matériaux nanocristallins dans un broyeur à boulets, nickel de pulvérisation, fer à repasser, le cuivre, et tungstène. Les billes d'acier écrasent les métaux dans un tambour de forme cylindrique en de minuscules cristaux. Grâce à l'utilisation de la microscopie électronique et de l'analyse par diffraction des rayons X, les scientifiques de Stuttgart ont maintenant systématiquement étudié, pour la première fois, précisément comment les atomes dans les cristaux métalliques de plus en plus fins sont disposés. Ils se sont principalement intéressés à la façon dont l'espacement entre les atomes dans le réseau cristallin change en fonction de la taille des grains cristallins.

En phase avec leurs attentes, les scientifiques ont d'abord observé que les réseaux cristallins des quatre métaux étudiés se contractaient avec la chute de la taille des grains. "Alors que nous continuions la série d'expériences avec des grains de plus en plus petits, cependant, nous avons fait une découverte surprenante", dit Eric Jan Mittemeijer. « Si la granulation tombe en dessous d'une certaine taille dans la plage du nanomètre, le réseau cristallin se dilate à nouveau et l'espacement entre les atomes augmente".

Contrainte de surface et excès de volume se font concurrence

Le fait que l'espacement entre les atomes dans les nanocristaux dépend de la taille des grains est, selon les scientifiques, le résultat de deux influences concurrentes :la contrainte de surface et l'excès de volume libre. Dans les métaux, les atomes, qui sont densément ordonnés à l'intérieur et possèdent donc de nombreuses liaisons avec d'autres atomes, ont une énergie plus faible que les atomes à la surface du grain, qui manquent plusieurs partenaires de liaison. Cela crée une contrainte de surface. Il permet aux atomes de se rapprocher de plus en plus les uns des autres à mesure que la taille des grains diminue et que le rapport surface/volume augmente.

En dessous d'une certaine taille, un effet supplémentaire des atomes à la surface du grain entre en jeu. Un joint de grain, comme on le sait, formes où deux grains nanométriques se rencontrent. Les atomes de surface des grains voisins, c'est-à-dire les atomes au joint de grain, essayer d'adopter une position de compromis entre les deux réseaux cristallins croisés ou superposés. Ils se déplacent donc de leurs emplacements réels dans le réseau et occupent un volume plus important que les atomes, occupant une position fixe dans un réseau régulier. Les chercheurs parlent d'excès de volume libre dans les joints de grains, ce qui peut être assez prononcé avec les nanomatériaux. Ce volume libre dans les joints de grains des nanomatériaux crée un champ de contrainte qui élargit l'espacement entre les atomes voisins dans les nanocristaux.

"L'influence de cet excès de volume libre sur les positions réticulaires des atomes peut être négligée en toute sécurité pour les objets de plus de 30 nanomètres environ", dit Mittemeijer. "Il régit le comportement d'objets plus petits, cependant, tandis que la contrainte de surface perd de son importance".

Les recherches menées par les scientifiques de Max Planck peuvent s'avérer d'une grande importance pour la science des matériaux. « Nos recherches contribuent à mieux comprendre les propriétés des nanomatériaux, afin qu'un ingénieur sache quel nanomatériau est adapté à la transformation ou aux produits, par exemple", dit Gayatri Rane, qui a fait un travail crucial dans l'étude. Sai Ramudu Meka, qui a également participé, ajoute, « Si nous ne savons pas comment se comporte un matériau, nous ne pouvons pas non plus l'employer correctement".