Les chercheurs ont découvert qu'un revêtement protecteur d'oxyde solide pour les métaux peut, lorsqu'il est appliqué en couches suffisamment minces, se déformer comme s'il s'agissait d'un liquide, combler les fissures et les lacunes au fur et à mesure qu'elles se forment.

La fine couche de revêtement devrait être particulièrement utile pour empêcher la fuite de minuscules molécules qui peuvent pénétrer à travers la plupart des matériaux, comme l'hydrogène gazeux qui pourrait être utilisé pour alimenter les voitures à pile à combustible, ou le tritium radioactif (une forme lourde d'hydrogène) qui se forme à l'intérieur du cœur des centrales nucléaires.

La plupart des métaux, à l'exception notable de l'or, ont tendance à s'oxyder lorsqu'ils sont exposés à l'air et à l'eau. Cette réaction, qui produit de la rouille sur le fer, ternir l'argent, et vert-de-gris sur cuivre ou laiton, peut affaiblir le métal au fil du temps et entraîner des fissures ou des défaillances structurelles. Mais il existe trois éléments connus qui produisent un oxyde qui peut en fait servir de barrière protectrice pour empêcher toute oxydation supplémentaire :l'oxyde d'aluminium, oxyde de chrome, et le dioxyde de silicium.

Ju Li, professeur d'ingénierie et de sciences nucléaires au MIT et auteur principal d'un article décrivant la nouvelle découverte, dit "nous essayions de comprendre pourquoi l'oxyde d'aluminium et le dioxyde de silicium sont des oxydes spéciaux qui offrent une excellente résistance à la corrosion". L'article paraît dans le journal Lettres nano .

L'équipe, dirigé par Yang Yang, étudiant diplômé du MIT, ont utilisé des instruments hautement spécialisés pour observer en détail la surface des métaux revêtus de ces oxydes "spéciaux" pour voir ce qui se passe lorsqu'ils sont exposés à un environnement d'oxygène et soumis à des contraintes. Alors que la plupart des microscopes électroniques à transmission (MET) nécessitent que les échantillons soient étudiés dans un vide poussé, l'équipe a utilisé une version modifiée appelée MET environnemental (E-TEM) qui permet d'étudier l'échantillon en présence de gaz ou de liquides d'intérêt. L'appareil a été utilisé pour étudier le processus qui peut conduire à un type de défaillance connu sous le nom de fissuration par corrosion sous contrainte.

Les métaux soumis à des contraintes de pression à l'intérieur d'une cuve de réacteur et exposés à un environnement de vapeur surchauffée peuvent se corroder rapidement s'ils ne sont pas protégés. Même avec une couche protectrice solide, des fissures peuvent se former qui permettent à l'oxygène de pénétrer jusqu'à la surface métallique nue, où il peut alors pénétrer dans les interfaces entre les grains métalliques qui composent un matériau métallique massif, provoquant une corrosion supplémentaire qui peut pénétrer plus profondément et conduire à une défaillance structurelle. "Nous voulons un oxyde qui soit liquide et résistant aux fissures, " dit Yang.

Il s'avère que l'ancien matériau de revêtement de secours, oxyde d'aluminium, peut avoir juste ce comportement d'écoulement liquide, même à température ambiante, s'il est transformé en une couche assez mince, environ 2 à 3 nanomètres (milliardièmes de mètre) d'épaisseur.

"Traditionnellement, les gens pensent que l'oxyde métallique serait cassant" et sujet à la fissuration, Yang dit, expliquant que personne n'avait démontré le contraire car il est si difficile d'observer le comportement du matériau dans des conditions réalistes. C'est là que l'installation spécialisée E-TEM du Brookhaven National Laboratory, l'un des 10 appareils de ce type au monde, est entré en jeu. "Personne n'avait jamais observé comment il se déformait à température ambiante, " dit Yang.

"Pour la première fois, nous l'avons observé à une résolution presque atomique, " dit Li. Cette approche a démontré qu'une couche d'oxyde d'aluminium, normalement si fragile qu'il se briserait sous le stress, lorsqu'il est extrêmement mince, il est presque aussi déformable qu'une couche comparable d'aluminium métallique, une couche beaucoup plus mince qu'une feuille d'aluminium. Lorsque l'oxyde d'aluminium est appliqué sur une surface d'un morceau d'aluminium en vrac, l'écoulement de type liquide "maintient l'aluminium recouvert" de sa couche protectrice, Li rapporte.

Les chercheurs ont démontré à l'intérieur de l'E-TEM que l'aluminium avec son revêtement d'oxyde pouvait être étiré à plus du double de sa longueur sans provoquer l'ouverture de fissures, dit Li. L'oxyde " forme une couche conforme très uniforme qui protège la surface, sans joints de grains ni fissures, " même sous la pression de cet étirement, il dit. Techniquement, le matériau est une sorte de verre, mais il se déplace comme un liquide et recouvre entièrement la surface tant qu'elle est suffisamment mince.

"Les gens ne peuvent pas imaginer qu'un oxyde métallique puisse être ductile, " Yang dit, se référant à la capacité d'un métal à se déformer, comme d'être étiré en un fil mince. Par exemple, le saphir est une forme d'exactement le même matériau, oxyde d'aluminium, mais sa forme cristalline massive en fait un matériau très résistant mais cassant.

Le revêtement auto-cicatrisant pourrait avoir de nombreuses applications potentielles, Li dit, notant l'avantage de sa douceur, surface continue sans fissures ni joints de grains qui pourraient pénétrer dans le matériau.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.