Le nanofil de tungstène présente un phénomène appelé « jumelage » qui lui permet de se déformer sous pression sans se rompre, et de reprendre sa forme lorsque la charge est retirée.
Pour bien comprendre le comportement des nanomatériaux, il faut aussi comprendre les mécanismes de déformation à l'échelle atomique qui déterminent leur structure et, donc, leur force et leur fonction.
Des chercheurs de l'Université de Pittsburgh, Université Drexel, et Georgia Tech ont conçu une nouvelle façon d'observer et d'étudier ces mécanismes et, ce faisant, ont révélé un phénomène intéressant dans un matériau bien connu, tungstène. Le groupe est le premier à observer le jumelage de déformation au niveau atomique dans des nanocristaux de tungstène cubiques centrés (BCC).
L'équipe a utilisé un microscope électronique à transmission (MET) à haute résolution et une modélisation informatique sophistiquée pour effectuer l'observation. Ce travail, Publié dans Matériaux naturels , représente une étape importante dans l'étude in situ des comportements mécaniques des nanomatériaux.
Le jumelage de déformation est un type de déformation qui, en conjonction avec le glissement de luxation, permet aux matériaux de se déformer de façon permanente sans se casser. En cours de jumelage, le cristal se réoriente, qui crée une région dans le cristal qui est une image miroir du cristal d'origine. Le jumelage a été observé dans les métaux et alliages BCC à grande échelle au cours de la déformation. Cependant, si le jumelage se produit dans les nanomatériaux BCC ou non est resté inconnu.
"Pour acquérir une compréhension approfondie de la déformation dans les nanomatériaux BCC, " Scott X. Mao, l'auteur principal de l'article, mentionné, "nous avons combiné l'imagerie et les simulations à l'échelle atomique pour montrer que les activités de jumelage dominaient pour la plupart des conditions de charge en raison de l'absence d'autres mécanismes de déformation par cisaillement dans les réseaux BCC à l'échelle nanométrique."
L'équipe a choisi le tungstène comme cristal BCC typique. L'application la plus connue du tungstène est son utilisation comme filaments pour ampoules.
Une série d'images capturées par microscopie électronique à transmission montre le phénomène de jumelage se produisant dans les nanofils de tungstène.
L'observation du jumelage à l'échelle atomique a été réalisée à l'intérieur d'un MET. Ce type d'étude n'avait pas été possible dans le passé en raison des difficultés de fabrication d'échantillons BCC de moins de 100 nanomètres comme requis par l'imagerie MET. Jiangwei Wang, un étudiant diplômé de Pitt et auteur principal de l'article, développé une manière intelligente de fabriquer les nanofils de tungstène BCC. Sous un TEM, Wang a soudé ensemble deux petits morceaux de cristaux de tungstène individuels à l'échelle nanométrique pour créer un fil d'environ 20 nanomètres de diamètre. Ce fil était suffisamment résistant pour s'étirer et se comprimer pendant que Wang observait le phénomène de jumelage en temps réel.
Pour mieux comprendre le phénomène observé par l'équipe de Mao et Wang à Pitt, Christophe R. Weinberger, professeur assistant au Collège d'ingénierie de Drexel, développé des modèles informatiques qui montrent le comportement mécanique de la nanostructure de tungstène au niveau atomique. Sa modélisation a permis à l'équipe de voir les facteurs physiques en jeu lors du jumelage. Ces informations aideront les chercheurs à théoriser pourquoi il se produit dans le tungstène à l'échelle nanométrique et à tracer un parcours pour examiner ce comportement dans d'autres matériaux BCC.
"Nous essayons de voir si notre modèle atomistique se comporte de la même manière que l'échantillon de tungstène utilisé dans les expériences, qui peut alors aider à expliquer les mécanismes qui lui permettent de se comporter ainsi, " dit Weinberger. " Plus précisément, nous aimerions expliquer pourquoi il présente cette capacité de jumelage en tant que nanostructure mais pas en tant que métal en vrac. »
De concert avec la modélisation de Weinberger, Ting Zhu, professeur agrégé de génie mécanique à Georgia Tech, travaillé avec un étudiant diplômé, Zhi Zeng, réaliser des simulations informatiques avancées utilisant la dynamique moléculaire pour étudier les processus de déformation en 3D.
La simulation de Zhu a révélé que le comportement "plus petit est plus fort" du tungstène n'est pas sans inconvénients en ce qui concerne les applications.
Des modèles informatiques démontrent le processus de jumelage dans des nanofils de tungstène.
"Si vous réduisez la taille à l'échelle nanométrique, vous pouvez augmenter la force de plusieurs ordres ou grandeurs, " a déclaré Zhu. "Mais le prix que vous payez est une diminution spectaculaire de la ductilité.
Nous voulons augmenter la résistance sans compromettre la ductilité dans le développement de ces métaux et alliages nanostructurés. Pour atteindre cet objectif, nous devons comprendre les mécanismes de contrôle de la déformation."
Le mécanisme de jumelage, Mao a ajouté, contraste avec la sagesse conventionnelle de la plasticité contrôlée par la nucléation des dislocations dans les nanomatériaux. Les résultats devraient motiver d'autres recherches expérimentales et de modélisation des mécanismes de déformation dans les métaux et alliages à l'échelle nanométrique, permettant finalement à la conception de matériaux nanostructurés de réaliser pleinement leur résistance mécanique latente.
"Notre découverte de la déformation dominée par le jumelage ouvre également des possibilités d'amélioration de la ductilité en créant des structures jumelles dans des cristaux de BCC à l'échelle nanométrique, " dit Zhu.
