La plasticité des matériaux est principalement portée par des défauts linéaires à l'échelle atomique appelés dislocations. Ces dislocations peuvent maintenant être directement contrôlées par une nano-pointe (schéma présenté à gauche, image réelle au milieu) comme l'ont découvert des chercheurs d'Erlangen. La manipulation est réalisée à l'intérieur d'un microscope électronique permettant l'imagerie simultanée des défauts et la manipulation avec des bras robotiques ultra-sensibles (schéma présenté à droite). Crédit :Peter Schweizer
Les matériaux peuvent se déformer plastiquement le long de défauts de ligne à l'échelle atomique appelés dislocations. De nombreuses applications techniques telles que le forgeage reposent sur ce procédé fondamental, mais la puissance des luxations est aussi exploitée dans les zones de déformation des voitures, par exemple, où les dislocations protègent des vies en transformant l'énergie en déformation plastique. Les chercheurs de la FAU ont maintenant trouvé un moyen de manipuler les dislocations individuelles directement à l'échelle atomique.
En utilisant la microscopie électronique in situ avancée, les chercheurs du groupe du professeur Erdmann Spiecker ont ouvert de nouvelles voies pour explorer les fondements de la plasticité. Ils ont publié leurs conclusions dans Avancées scientifiques .
L'interface la plus fine avec des défauts
En 2013, un groupe interdisciplinaire de chercheurs de la FAU a découvert des dislocations dans le graphène bicouche, une étude révolutionnaire publiée dans La nature . Les défauts de ligne étaient contenus entre deux plats, des feuilles de carbone atomiquement minces - l'interface la plus mince où cela est possible. "Quand nous avons trouvé les dislocations dans le graphène, nous savions qu'ils ne seraient pas seulement intéressants pour ce qu'ils font dans le matériel spécifique, mais aussi qu'ils pourraient servir de système modèle idéal pour étudier la plasticité en général, " explique le Pr Spiecker. Son équipe de deux doctorants a cherché un moyen d'interagir avec eux.
Un microscope puissant est nécessaire pour voir les luxations. Les chercheurs d'Erlangen sont des spécialistes dans le domaine de la microscopie électronique, et réfléchissent constamment à des moyens d'étendre la technique. « Au cours des trois dernières années, nous avons progressivement étendu les capacités de notre microscope pour qu'il fonctionne comme un établi à l'échelle nanométrique, " dit Peter Schweizer. " Nous pouvons maintenant non seulement voir des nanostructures, mais aussi interagir avec eux, par exemple, en les bousculant, en appliquant de la chaleur ou un courant électrique." Au cœur de cet instrument se trouvent de petits bras de robot qui peuvent être déplacés avec une précision à l'échelle nanométrique. Ces bras peuvent être équipés d'aiguilles très fines qui peuvent être déplacées sur la surface du graphène. Périphériques d'entrée spéciaux sont nécessaires pour un contrôle de haute précision.
La plasticité au bout des doigts
Au microscope où les expériences ont été menées, il existe de nombreux instruments scientifiques et deux contrôleurs de jeux vidéo. "Les étudiants nous demandent souvent à quoi servent les manettes de jeu, " dit Christian Dolle. " Mais bien sûr, ils sont purement utilisés à des fins scientifiques. Vous ne pouvez pas diriger un petit bras de robot avec un clavier, vous avez besoin de quelque chose de plus intuitif. Il faut du temps pour devenir un expert, mais alors, même le contrôle des défauts de ligne à l'échelle atomique devient possible."
Une chose qui a surpris les chercheurs au début était la résistance du graphène aux contraintes mécaniques. "Quand on y pense, il ne s'agit que de deux couches d'atomes de carbone - et nous enfonçons une aiguille très pointue dedans, " dit Peter Schweizer. Pour la plupart des matériaux, Ce serait trop, mais le graphène est connu pour résister à des contraintes extrêmes. Cela a permis aux chercheurs de toucher la surface du matériau avec une pointe fine en tungstène et de faire glisser les défauts de la ligne. "Quand nous l'avons essayé pour la première fois, nous ne pensions pas que cela fonctionnerait, mais ensuite nous avons été étonnés de toutes les possibilités qui se sont soudainement ouvertes. » En utilisant cette technique, les chercheurs pourraient confirmer des théories de longue date sur les interactions entre défauts, ainsi que d'en trouver de nouveaux. "Sans contrôler directement la luxation, il n'aurait pas été possible de retrouver toutes ces interactions, " dit Dolle.
"Sans avoir des instruments à la pointe de la technologie et le temps d'essayer quelque chose de nouveau, cela n'aurait pas été possible, " dit Spiecker. " Il est important de grandir avec de nouveaux développements, et essayez d'élargir les techniques dont vous disposez."
